CN111755807B - 基于等角螺旋的频扫对数周期天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等角螺旋的频扫对数周期天线。该发明将传统对数周期天线沿长度方向以等角螺旋的形式卷曲，在工作频带内实现大角度的主波束频率扫描功能；包括振子阵列和馈线；所述振子阵列内的振子的长度沿馈线正比例增加，相邻振子所夹馈线长度沿馈线正比例增加；所述馈线卷曲形式为等角螺旋形式，长度较短的振子一端位于馈线所在螺旋半径较短的一侧，长度较长的振子一端位于馈线所在螺旋半径较长的一侧；在本发明中，辐射不同频率能量的振子不同，令天线在不同频率的波束指向不同；该发明继承了传统对数周期天线带宽宽、增益平稳的优点，实现大角度的波束扫描；且结构简单，工程实现容易，性能优异，在无线通信系统中有较强的应用价值。

Description

基于等角螺旋的频扫对数周期天线

技术领域

本发明属于微波及天线结构技术领域，尤其涉及一种基于等角螺旋的频扫对数周期天线。

背景技术

对数周期天线作为一款常见宽带天线，结构呈周期变化，有非频变天线的特性，可以在很宽的频带内保持平稳的阻抗以及增益，其在短波，超短波和微波波段得到了广泛的应用。在民用领域，其常用于室内分布和电梯信号覆盖。对数周期天线也被应用在雷达以及军事侦察通信系统中。

对数周期天线作为一款经典宽带天线，其结构简单、工程实现容易、增益良好，因此，对数周期天线的应用非常广泛。有学者提出了印刷对数周期天线，相比较于传统的对数周期天线，其重量轻、成本低廉、制作精度高且稳定性好。

但是，对数周期天线的波束指向通常保持不变，在工程上，不能简单有效地实现波束扫描功能，其应用也因此受到一定的限制。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于等角螺旋的频扫对数周期天线；其作用在于扩展对数周期天线的应用，使其实现波束扫描功能；且将对数周期天线进行改造，实现频扫功能。

本发明的技术方案是：基于等角螺旋的频扫对数周期天线，包括振子阵列和馈线，所述振子阵列和馈线共同构成天线结构；

其中，所述振子阵列内的振子的长度沿馈线正比例增加，相邻振子所夹馈线长度沿馈线正比例增加；

所述馈线的轮廓为等角螺旋，长度较短的振子一端位于馈线所在螺旋半径较短的一侧，长度较长的振子一端位于馈线所在螺旋半径较长的一侧。

进一步地，所述的馈线的轮廓为平面等角螺旋、带有升角的立体等角螺旋及其组合。

进一步地，所述馈线的轮廓为平面等角螺旋，所述振子平行于平面等角螺旋所在平面，且与馈线垂直。

进一步地，所述馈线的轮廓为平面等角螺旋，所述振子垂直于平面等角螺旋所在平面。

进一步地，所述馈线的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子垂直于立体等角螺旋未抬升时所在平面。

进一步地，所述馈线的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子垂直于立体等角螺旋。

进一步地，所述振子的辐射结构为偶极子、单极子、三振子、四振子及其组合。

进一步地，所述振子的形状为长直振子、分形振子、折叠振子、末端加载振子、卷曲振子及其组合。

进一步地，所述天线结构的形式为印刷在介质基板上金属印制层、金属平板、以金属杆形式拼接的立体及其组合。

进一步地，所述天线结构通过复制平移、镜像、旋转单个天线及其组合形成天线阵列。

本发明的有益效果是：本发明中的对数周期天线主要依靠有效区的几个振子辐射能量，本发明中充分利用有效区的振子以实现波束扫描，原理简单，工程实现容易，成本低廉；本发明在继承对数周期天线带宽宽，增益平稳的优点同时，通过调节天线的比例因子、间距长度比以及振子数量，可以灵活实现不同带宽，不同扫描角度范围的波束扫描。

附图说明

图1是本发明中基于等角螺旋的频扫对数周期天线的结构示意图；

图2是本发明中平面形式的频扫对数周期天线的三维剖分示意图；

图3是本发明中平面形式的频扫对数周期天线的俯视图；

图4是本发明中平面形式的频扫对数周期天线的S参数和增益示意图；

图5是本发明中平面形式的频扫对数周期天线在不同频率处的E面归一化方向示意图；

图6是本发明中弯曲形式的频扫对数周期天线在未弯曲前的俯视图；

图7是本发明中弯曲形式的频扫对数周期天线的三维示意图；

图8是本发明中倾斜印刷对数周期天线的俯视图；

图9是本发明中馈线倾斜频扫对数周期天线的三维示意图；

图10是本发明中馈线倾斜频扫对数周期天线的S参数和增益示意图；

图11是本发明中馈线倾斜频扫对数周期天线的H面归一化方向示意图；

图12是本发明中阶梯形式频扫对数周期天线的三维示意图；

图13是本发明中阶梯形式频扫对数周期天线所组成的二元阵列的三维示意图；

图中1是上层金属结构，2是第一介质基板，3是下层金属结构，4是第一振子臂，5是第一振子，6是第一馈线，7是第二馈线，8是第二振子臂，9是第二振子，10是馈电点，11是第二介质基板，12是等角螺旋，13是金属表面，14是第三振子，15是第三馈线，16是第三介质基板，17是第四馈线，18是第四振子,19是馈线，20是振子。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明中进行进一步的叙述；显而易见地，下面描述中的仅仅是一部分的实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些将本发明所述的技术方案应用于其它类似情景；为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所述；基于等角螺旋的频扫对数周期天线，包括振子阵列和馈线19，所述振子阵列和馈线19共同构成天线结构；

其中，所述振子阵列内的振子20的长度沿馈线19正比例增加，相邻振子20所夹馈线19长度沿馈线19正比例增加；

所述馈线19的轮廓为等角螺旋12，长度较短的振子20一端位于馈线19所在螺旋半径较短的一侧，长度较长的振子20一端位于馈线19所在螺旋半径较长的一侧。

进一步地，所述的馈线19的轮廓为平面等角螺旋、带有升角的立体等角螺旋及其组合。

进一步地，所述馈线19的轮廓为平面等角螺旋，所述振子20平行于平面等角螺旋所在平面，且与馈线19垂直。

进一步地，所述馈线19的轮廓为平面等角螺旋，所述振子20垂直于平面等角螺旋所在平面。

进一步地，所述馈线19的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子20垂直于立体等角螺旋未抬升时所在平面。

进一步地，所述馈线19的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子20垂直于立体等角螺旋。

进一步地，所述振子20的辐射结构为偶极子、单极子、三振子、四振子及其组合。

进一步地，所述振子20的形状为长直振子、分形振子、折叠振子、末端加载振子、卷曲振子及其组合。

进一步地，所述天线结构的形式为印刷在介质基板上金属印制层、金属平板、以金属杆形式拼接的立体及其组合。

进一步地，所述天线结构通过复制平移、镜像、旋转单个天线及其组合形成天线阵列。

本发明利用了对数周期天线在不同频率处辐射能量的振子20不同的特点，令对数周期天线沿着曲线绕制，可使得天线工作在不同频率处，天线的波束指向不同；对数周期天线绕制的轮廓有多种选择，包括圆弧、等角螺旋、等距螺旋以及其他各种曲线以及各种曲线的组合；在轮廓为等角螺旋12的情况下，对数周期天线依然可以保持非频变的特性，如图1所示，馈线19连接各个振子20，馈线19的轮廓为等角螺旋12，相邻振子20与等角螺线12原点连线所夹的角度不变，振子20的长度和相邻的振子20所夹馈线19的长度都沿馈线19等比例递增。

实施例1：

本实例以平面形式的频扫对数周期天线为例：

如图2和图3所示，所述平面形式的频扫对数周期天线包括第一介质基板2，上层金属结构1和下层金属结构3；第一介质基板2的材料为FR4，介电常数为4.6，厚度为1.6毫米；上下两层金属结构的材料为铜；两层金属结构都包括第一馈线6和第一振子臂4，上下两个同等长度的第一振子臂4共同构成一个第一振子5，每层金属结构为固定连接的一个整体；上下两层第一馈线6的轮廓为相同的等角螺旋12；天线的第一馈线6从最短的第一振子5的一端接入，且在相邻第一振子5间作交叉馈电；

设一条等角螺旋12的方程为r＝r₀e^aθ，取r₀为46.875mm，a为0.4，θ为因变量，代表等角螺旋12旋转的角度；上述等角螺旋12即为第一馈线6的形状，第一馈线6的宽度为4mm；上述等角螺旋12从起始点旋转π/20的角度时，第一馈线6连接第一个第一振子5，也就是最短的第一振子5；之后，θ每旋转0.152的角度，第一馈线6就接一个第一振子5，第一振子5的长度按e^0.4*0.152的比例依次增加，总共要接20个第一振子5，旋转到最后一根第一振子5处，第一馈线6旋转到了终点；

其中，长度最短的第一振子5的长度为18.75mm，第一振子5的长度和相邻的第一振子5间所夹第一馈线6长度也沿第一馈线6按e^0.4*0.152的比例依次增加，每个第一振子5都与第一馈线6垂直；

第一振子5的宽度同样按照固定比例增加，长度较长的第一振子5的宽度比长度较短的第一振子5的宽度要大，第一振子5的宽度为Lπ/60，其中L表示第一振子5的长度；

图4是平面形式的频扫对数周期天线的S参数和增益图，可以看到平面形式的频扫对数周期天线在2-5GHz的频段内S11均低于-10dB，在2-5GHz的频段内平均增益在6dBi，增益平稳；

图5是平面形式的频扫对数周期天线在不同频率处的E面归一化方向图，在E面，在2-5GHz的频率范围内，波束可以实现120度的扫描；

本实例中的平面形式的频扫对数周期天线，将对数周期天线和等角螺旋12相结合，可以使得对数周期天线仍然满足非频变的特性；该发明结构简单，加工方便，工程实现容易；同时，通过对天线的实际测试，可以看出该结构具有良好的性能，有效实现波束扫描的功能。

实施例2：

本实例以弯曲形式的频扫对数周期天线为例：

如图6和图7所示，所述弯曲形式的频扫天线是将图6所示印刷对数周期天线沿着一条与之对应的等角螺旋12的轮廓进行进行绕制，第三馈线15的轮廓为等角螺旋12，天线的第三介质基板16为F4B，其介电常数为2.2，厚度为0.254mm，该第三介质基板16可以弯曲；

设一条等角螺旋12的方程为r＝r₀e^aθ，取r₀为36mm，a为0.5，θ的取值范围0至π，上述等角螺旋12即为第三馈线15的轮廓，第三馈线15的宽度为1mm；上述等角螺旋在0角度连接第一个第三振子14，也就是最短的第三振子14，其长度为24mm；之后，θ每旋转π/14的角度，第三馈线15就接一个第三振子14，第三馈线15在相邻第三振子14间交叉馈电，令第三振子14的长度沿着第三馈线15按e^0.5*π/14的比例依次增加，总共要接15个第三振子14，第三振子14的宽度为Lπ/60，其中L表示第三振子14的长度；由此可以得到，在未绕制之前，天线的比例因子τ为0.894，间距长度比σ为0.178，第三振子14的个数N为15；

绕制后虽然可以实现频扫功能，但不能有效实现360度的波束扫描；实例3对这一问题加以解决。

实施例3：

本实例在实例2的基础上，将传统印刷对数天线改为倾斜印刷对数周期天线，可以实现360度频扫，本实例以馈线倾斜频扫对数周期天线为例：

如图8和图9所示，所述馈线倾斜频扫对数周期天线由图8的倾斜印刷对数周期天线沿着等角螺旋12的轮廓绕制而成，有一个金属表面13，被放置在天线的底面，金属表面13形状为正方形，大小为360mm*360mm，天线放置在金属表面13的中心，放置金属表面13是利用了镜像原理，使得天线等效于一个二元对数周期天线阵列，可有效减轻了方向图的偏头现象；

如图8所示的倾斜印刷对数周期天线的第二介质基板11的材料为F4B，介电常数为2.2，厚度为0.254毫米，第二介质基板11足够柔软到可以弯曲；第二介质基板11同一面上的第二馈线7和第二振子臂8为连接的一个整体，上下两个同等长度的第二振子臂8共同构成一个第二振子9；第二馈线7为集合线，其与第二振子9所夹的角度固定不变；天线的第二馈线7从最短的第二振子9的一端接入，在长度最短的第二振子9一侧的末端有一个馈电点10，第二馈线7在相邻第二振子9间作交叉馈电；第二振子9的长度和相邻第二振子9所夹的第二馈线7长度都沿第二馈线7以同一固定比例1/τ递增；

在未绕制之前，天线呈倾斜状，与常规的不倾斜的对数周期天线相比，第二振子9的位置发生了偏移，每个第二振子9都沿着振子的长度方向同向偏移了0.4倍振子长度，因此，在平面上，第二馈线7还是呈一条直线；馈电点10距长度最短的振子的距离d为1.2mm，长度最短的第二振子臂8的长度l_min为4mm,比例因子τ为0.896，间距长度比σ为0.24，第二振子9的个数N为20；

设等角螺旋12的方程为r＝r₀e^aθ，其中r₀为7.35mm，a＝0.21，θ为因变量，代表等角螺旋12旋转的角度；在绕制后，等角螺旋12从0度角开始旋转，旋转π/20后接第一个第二振子9，此后每旋转π/6接一个第二振子9，一共接20个第二振子9；此等角螺旋12即为馈线倾斜频扫对数周期天线的弯曲轮廓，天线在绕制之后，第二馈线7的轮廓变为立体等角螺旋；

图10是馈线倾斜频扫对数周期天线的S参数和增益图，在3-12GHz的工作内，天线的S11都低于-10dB，增益高于6dBi，性能稳定；

图11是馈线倾斜频扫对数周期天线的H面归一化方向图，在3-12GHz带宽内，天线可以按照频率连续的实现波束扫描功能，且其波束扫描范围大于360度；

本实例中的馈线倾斜频扫对数周期天线，将馈线7进行倾斜，有效避免了低频振子9对高频振子9的遮挡；该发明结构简单，加工方便，可以有效实现360度的波束扫描。

实施例4：

本实例以阶梯形式频扫对数周期天线为例：

如图12所示，所述阶梯形式频扫对数周期天线为立体结构，其第四馈线17轮廓为立体等角螺旋，天线各第四振子18垂直于第四馈线17，第四振子18平行于立体等角螺旋没有抬升时所在平面，这样可以有效减轻低频第四振子18对高频第四振子18的遮挡；

图12所示的天线可以由图2和图3所示平面形式的频扫对数周期天线在曲面上投影得到；在未投影之前，设第一馈线6轮廓的方程为r＝r₀e^aθ，其中r₀为37.5mm，a为0.25，θ为因变量，代表等角螺旋12旋转的角度；上述等角螺旋12从起始点旋转π/20的角度时，第一馈线6连接第一个第一振子5，也就是最短的第一振子5；之后，θ每旋转π/8的角度，第一馈线6就接一个第一振子5，第一馈线6在相邻第一振子5间交叉馈电，第一振子5的长度按e^0.25*π/8的比例依次增加，总共要接20个第一振子5，旋转到最后一根第一振子5处，θ旋转到了终点；

其中，第一馈线6的宽度为3mm，长度最短的第一振子5的长度为25mm，第一振子5的长度和第一振子5间所夹第一馈线6长度都沿第一馈线6按e^0.25*π/8的比例依次增加，每个第一振子5都与第一馈线6垂直；

第一振子5的宽度同样按照固定比例增加，长度较长的第一振子5的宽度比长度较短的第一振子5的宽度要大，振子的宽度为Lπ/60，其中L表示振子的长度；

设有一个曲面，其方程为x＝re^aθcos(θ),y＝re^aθsin(θ),z＝l_mine^aθ，其中r的取值范围为20mm至55mm，θ的取值范围为0至2.5π，l_min即为最短的第一振子5的长度25mm；复制上述曲面并且将其沿着Z轴正方向平移0.5mm；将上文描述的平面形式的频扫对数周期天线的上层金属结构1和下层金属结构3分别投影到两个曲面上，投影后天线的两层结构之间为空气层，最终得到如图12所示阶梯形式频扫对数周期天线，其第四馈线17的轮廓为立体等角螺旋，第四馈线17依然与第四振子18保持垂直，该天线在长度最短的第四振子18一端馈电；

如图13所示，所述阶梯形式频扫对数周期天线所组成的二元阵列由图12所示结构镜像得到，该二元阵列关于立体等角螺旋没有抬升时所在平面对称，此平面指z＝0的平面；对此二元阵列等幅同相馈电，通过改变馈入信号的频率，该天线可以有效实现大角度的波束扫描。

综上所述，本发明基于等角螺旋的频扫对数周期天线在继承了对数周期天线优良电特性的同时，可以实现大角度的波束扫描，本发明还具有工程实现容易、原理简单的优点；其中，平面形式的频扫对数周期天线和弯曲形式的频扫对数周期天线设计较为简单，但是不能实现360度的波束扫描；馈线倾斜频扫对数周期天线和阶梯形式频扫对数周期天线及其组成的阵列设计较为复杂，但可以有效实现360度的波束扫描。

同理，应当注意的是，为了简化本发明披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本发明实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中；但是，这种披露方法并不意味着本发明对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多；实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

最后，应当理解的是，本发明中所述实施例仅用以说明本发明实施例的原则；其他的变形也可能属于本发明的范围；因此，作为示例而非限制，本发明实施例的替代配置可视为与本发明的教导一致；相应地，本发明的实施例不限于本发明明确介绍和描述的实施例。

Claims (10)

1.基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，包括振子阵列和馈线，所述振子阵列和馈线共同构成天线结构；

其中，所述振子阵列内的振子的长度沿馈线正比例增加，相邻振子所夹馈线长度沿馈线正比例增加；

所述馈线的轮廓为等角螺旋，长度较短的振子一端位于馈线所在螺旋半径较短的一侧，长度较长的振子一端位于馈线所在螺旋半径较长的一侧。

2.根据权利要求1所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述的馈线的轮廓为平面等角螺旋、带有升角的立体等角螺旋及其组合。

3.根据权利要求1或2所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述馈线的轮廓为平面等角螺旋，所述振子平行于平面等角螺旋所在平面，且与馈线垂直。

4.根据权利要求1或2所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述馈线的轮廓为平面等角螺旋，所述振子垂直于平面等角螺旋所在平面。

5.根据权利要求1或2所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述馈线的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子垂直于立体等角螺旋未抬升时所在平面。

6.根据权利要求1或2所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述馈线的轮廓为带有升角的立体等角螺旋，所述振子垂直于立体等角螺旋。

7.根据权利要求1所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述振子的辐射结构为偶极子、单极子、三振子、四振子及其组合。

8.根据权利要求1或7所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述振子的形状为长直振子、分形振子、折叠振子、末端加载振子、卷曲振子及其组合。

9.根据权利要求1所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述天线结构的形式为印刷在介质基板上金属印制层、金属平板、以金属杆形式拼接的立体及其组合。

10.根据权利要求1所述的基于等角螺旋的频扫对数周期天线，其特征在于，所述天线结构通过复制平移、镜像、旋转单个天线及其组合形成天线阵列。

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