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CN115275584B - 基于3d打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线 - Google Patents

基于3d打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线 Download PDF

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CN115275584B CN202211171345.4A CN202211171345A CN115275584B CN 115275584 B CN115275584 B CN 115275584B CN 202211171345 A CN202211171345 A CN 202211171345A CN 115275584 B CN115275584 B CN 115275584B
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Abstract

本发明提供的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，包括馈电结构以及位于馈电结构两侧的两个双臂螺旋结构，两个双臂螺旋结构关于XY平面镜像对称，每个双臂螺旋结构均包括两个交错螺旋缠绕的螺旋臂，且每个螺旋臂的螺旋半径自馈电结构开始沿轴向方向逐渐减小。本发明具有宽轴比带宽，且带内辐射性能稳定，加工方便的优点。

Description

基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线
技术领域
本申请属于天线领域，尤其涉及基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线。
背景技术
在当代无线通信系统中，具有双向辐射能力的天线通常应用于一些纵深较深的狭长环境当中，如长街道、隧道、桥梁、高速公路等。此类天线的辐射波束可以很好地贴合这些应用场景，可以有效提高信道的稳定性以及可靠性。就极化形式而言，圆极化的双向天线应用最为广泛，这是为了避免收、发端之间产生极化失配的问题，同时也可以一定程度上提高通信质量。然而，由于圆极化辐射的天然特性，其在两个相反方向上的旋向一定是相反的，即当一端为左旋圆极化时，另一端一定为右旋圆极化，反之亦然。这样就会导致双向天线在两个辐射方向上产生严重的极化失配。因此，研究双向同旋向圆极化天线是具有实际意义的。
为了实现这样一款天线，在过去的几年中，已有一些相关的方案提出，例如：文献1“Y. Zhao, K. Wei, Z. Zhang, and Z. Feng, "A waveguide antenna withbidirectional circular polarizations of the same sense, " IEEE AntennasWireless Propag. Lett.,vol. 12,pp. 559-562,2013”中提出了一款基于波导结构的天线设计，其采用两个±45度放置的金属贴片来产生正交电场，并通过贴片间四分之一波长的物理间距来实现正交电场之间的90度相位差，进而在两个相反的辐射方向上产生相同旋向的圆极化波。文献2“M. Ye, X. Li, and Q. Chu, "Single-layer single-fed endfireantenna with bidirectional circularly polarized radiation of the same sense," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett.,vol.16,pp. 621-624,2017”采用“背靠背”的形式将两个单向辐射的同旋向圆极化天线结合，从而实现双向同旋向的目的。文献3“W.Liu, Y. Li, Z. Zhang, and Z. Feng, "A bidirectional array of the same left-handed circular polarization using a special substrate, "IEEE AntennasWireless Propag. Lett.,vol. 12,pp. 1543-1546,2013”提出了一款八单元的偶极子阵列，相邻两个偶极子正交放置并间隔四分之一波长，通过贴片间四分之一波长的物理间距来实现正交电场之间的90度相位差，进而在两个相反的辐射方向上产生相同旋向的圆极化波。中国发明公开专利CN112701438A和CN112838358A将宽带极化器和双向线极化源相结合，分别提出了一种基于介质极化器和一种基于线性渐变槽极化器的设计。虽然这些设计为双向同旋向圆极化天线提出了很好的解决方案，但是仍存在一些不足。首先，目前已报道的方案普遍存在带宽较窄的问题，文献1-3中天线的轴比带宽不足20%，虽然前述两个发明公开专利中将轴比带宽提升至30%，但是仍然较难应用于宽带通信系统当中。其次，已报道的方案中普遍存在加工困难的问题，整个加工过程往往需要多道工艺流程，例如PCB加工、钣金加工、后期手工焊接、电镀等。这无形中增加了很多制造成本，同时手工的焊接、组装等还可能导致加工误差，进而影响天线性能。此外，大多数已报道的方案中，天线增益也较低，当代无线通信系统往往需要较高的增益，因此，高增益的双向同旋向圆极化天线设计具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，以解决现有技术中传统双向同旋向圆极化天线普遍存在的带宽较窄、增益低、加工困难、工艺繁复等问题。
为了实现本发明目的，本发明提供的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，包括馈电结构以及位于馈电结构两侧的两个双臂螺旋结构，两个双臂螺旋结构关于XY平面镜像对称，
每个双臂螺旋结构均包括两个交错螺旋缠绕的螺旋臂，且每个螺旋臂的螺旋半径自馈电结构开始沿轴向方向逐渐减小。
对本发明方案的进一步改进，馈电结构包括四个扇形结构和一个平行双线结构，四个扇形结构分别位于平行双线结构的四个末端处且与平行双线结构一体连接。
对本发明方案的进一步改进，四个扇形结构分别与四条螺旋臂共形。 对本发明方案的进一步改进，所述馈电结构还包括同轴接头，通过所述同轴接头给所述天线馈电。
对本发明方案的进一步改进，每个螺旋臂的螺旋线的确定方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为螺旋底端半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示螺距，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋线半径每匝的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为螺旋高度，且
Figure DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示螺旋匝数，x,y,z为直角坐标系下螺 旋线上每一点的坐标。
对本发明方案的进一步改进，所述天线的材质为良导体材料。
对本发明方案的进一步改进，所述良导体材料为铝、铝合金和不锈钢中的任一种。
对本发明方案的进一步改进，每个双臂螺旋结构中的两个螺旋臂之间通过连接件连接。
对本发明方案的进一步改进，所述连接件通过介质3D打印技术实现。
对本发明方案的进一步改进，所述连接件的材料可以为任意绝缘材料。
与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：
本发明结合金属3D打印工艺，提出了一款双向同旋向辐射的圆极化螺旋天线设计。与现有技术相比，性能上，本发明具有宽轴比带宽（40%，1.9-2.86GHz）、高增益（带内7±1dBic）、带内辐射性能稳定的优点，其性能远优于当前的技术水平；加工上，本发明无需繁复的工艺流程，仅需金属3D打印工艺即可，具有加工方便、省时省力、低成本的优点；原理上，本发明将螺旋结构应用至双向同旋向圆极化天线的设计当中，在已报道的文献中，尚未有相关研究提出。基于螺旋结构本身的特性以及宽带的共形馈电结构设计，来实现宽带的效果。
附图说明
为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的全视图；
图2为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的馈电结构全视图；
图3为本发明实施例中第一螺旋臂、第四螺旋臂、第一扇形结构、第二扇形结构以及平行双线结构中的第二平行线一体成型后的结构示意图。
图4为本发明实施例中第二螺旋臂、第三螺旋臂、第三扇形结构、第四扇形结构以及平行双线结构中的第一平行线一体成型后的结构示意图。
图5为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的整体装配示意图；
图6为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的阻抗匹配特性示意图；
图7为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的轴比特性示意图；
图8为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的增益特性示意图；
图9为本发明实施例中基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线的方向图。
图中，第一螺旋臂11，第二螺旋臂12，馈电结构13，第三螺旋臂14，第四螺旋臂15，第一扇形结构21，第二扇形结构22，第三扇形结构23，第四扇形结构24，同轴接头25，第一平行线26，第二平行线27，第一连接件31，第二连接件32，第三连接件33，第四连接件34。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都是本发明保护的范围。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种基于金属3D打印技术的宽带双向同旋向圆极化螺旋天线。如图1所示，所述天线包括一个馈电结构13和位于馈电结构两侧的两个双臂螺旋结构，两个双臂螺旋结构关于XY平面镜像对称，每个双臂螺旋结构均包括两个交错螺旋缠绕的螺旋臂，且每个螺旋臂的螺旋半径自馈电结构13开始沿轴向方向逐渐减小。
在本发明的其中一些实施例中，共有四条螺旋臂，将四条螺旋臂分别定义为第一螺旋臂11、第二螺旋臂12、第三螺旋臂14和第四螺旋臂15。其中，第一螺旋臂11和第二螺旋臂12构成一个双臂螺旋结构，位于天线一侧，第三螺旋臂14和第四螺旋臂15构成另外一个双臂螺旋结构，位于天线的另一侧。两个双臂螺旋结构的结构相同且关于XY平面镜像对称。馈电结构13位于两个双臂螺旋结构中间，且与四条螺旋臂一体连接。螺旋半径随着轴向自馈电结构13处开始逐渐减小，渐变方式为线性渐变。天线的整体外形类似梭状，每根螺旋线由以下公式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为螺旋底端半径，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示螺距，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示螺旋线半径每匝的变化量，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为螺旋高度，且
Figure DEST_PATH_IMAGE015
,
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示螺旋匝数。在本发明的其中一些实 施例中，各参数的具体值为:
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
。
螺旋臂的截面可以为任意形状，如矩形或圆形。
图2所示为馈电结构13的示意图，馈电结构13包括四个与螺旋臂共形的扇形结构和一个平行双线结构，扇形结构为宽带的阻抗匹配结构，能够实现整个天线的宽带特性。将四个扇形结构定义为第一扇形结构21、第二扇形结构22、第三扇形结构23和第四扇形结构24，平行双线结构包括第一平行线26和第二平行线27，四个扇形结构分别位于平行双线结构的四个末端处且与平行双线结构一体连接。整个天线由位于平行双线中心位置处的一个50欧姆的同轴接头25馈电。四个扇形结构分别与四条螺旋臂共形，扇形结构的弧线也是螺旋的，与螺旋线形状相同。
在本发明的其中一些实施例中，在加工过程中，天线分为两半部分进行加工，即将第一螺旋臂11、第四螺旋臂15、第一扇形结构21、第二扇形结构22以及平行双线结构中的第二平行线27一体成型，如图3所示；将第二螺旋臂12、第三螺旋臂14、第三扇形结构23、第四扇形结构24以及平行双线结构中的第一平行线26为一体成型，如图4所示。加工技术采用金属3D打印工艺，材料可以为可用于3D打印的任意良导体材料，如铝、铝合金、不锈钢等。图5所示为天线的装配图。两半部分打印完成后再通过连接件以及螺丝配合进行装配，得到本发明提供的所述螺旋天线，如图5所示。具体地，在本发明的其中一些实施例中，设置有4个连接件，分别定义为第一连接件31、第二连接件32、第三连接件33和第四连接件34，32，33位于馈电结构处，31，34分别位于上、下两个双臂螺旋结构上，四个连接件共同固定整个天线。连接件31,34两端分别开设有螺丝孔351,352,381,382，连接件32,33两端分别开设有螺丝孔与定位孔361-366,371-376，其中362,365,372,375为定位孔（定位孔用于定位连接件32、33的位置）。螺丝孔与定位孔在开孔位。
在本发明的其中一些实施例中，连接件通过介质3D打印技术实现，材料可以为任意绝缘材料。
工作原理上，天线由同轴接头25激励后，能量通过平行双线结构被等幅同相位分配至关于XY平面对称的上、下两个双臂螺旋结构中。这两个结构均工作在轴向模式下，电磁波以行波的形式辐射至大气当中。由于两个轴向模式分别指向+z和-z方向，因此该天线可实现双向辐射的功能，同时，由于上、下两个双臂螺旋结构均由同一点以同相位的方式激励，所以二者辐射的电磁波同相位叠加，保证了两个方向上的辐射性能。为了使天线具有宽带特性，馈电结构13中对每一条螺旋臂均采用了扇形且与螺旋线共形的线性渐变结构，扇形且与螺旋线共形的线性渐变结构本质为一个宽带的阻抗变换器，与此同时，每一条螺旋臂为半径线性渐变的宽带结构，因此，整个天线可以实现较宽的阻抗带宽。另一方面，螺旋结构本身具有较宽的轴比带宽，因此，在保证阻抗匹配的情况下，该天线可以实现宽带的圆极化特性。此外，轴向模式下的双臂螺旋结构具有较高的定向性，这保证了天线可以获得高增益的特性。
天线性能方面，图6所示为该天线的阻抗匹配特性，在1.9-3GHz的范围内该天线的|S 11|小于-10dB，阻抗带宽可以达到45.8%，阻抗匹配特性良好。天线的轴比特性如图7所示，可以看出在1.9-2.86GHz频带内，天线轴比均小于3dB，该天线轴比带宽达到了40%，具有宽带圆极化特性。天线的增益特性如图8所示，在轴比带宽范围内天线增益最高为8dBic，平均增益7dBic，波动范围为±1dBic，这说明该天线具有良好的增益特性，工作频带内增益稳定。图9展示了天线在中心频率2.4GHz处XZ和YZ平面上的方向图，可以看出该天线为右旋圆极化辐射，具有对称的双向辐射特性，同时具有较低的旁瓣。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，包括馈电结构以及位于馈电结构两侧的两个双臂螺旋结构，两个双臂螺旋结构关于XY平面镜像对称，
每个双臂螺旋结构均包括两个交错螺旋缠绕的螺旋臂，且每个螺旋臂的螺旋半径自馈电结构（13）开始沿轴向方向逐渐减小；馈电结构（13）包括四个扇形结构和一个平行双线结构，四个扇形结构分别位于平行双线结构的四个末端处且与平行双线结构一体连接；四个扇形结构分别与四条螺旋臂共形，所述天线的辐射方向为天线的+z轴和-z轴方向；所述馈电结构（13）还包括同轴接头（25），通过所述同轴接头（25）给所述天线馈电；平行双线结构包括第一平行线（26）和第二平行线（27）；同轴接头（25）的内导体跟平行双线结构中的第一平行线（26）或第二平行线（27）中的一个平行线连接，同轴接头（25）的外导体相应地跟平行双线结构中的另一个平行线连接。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，每根螺旋线的确定方式为：
Figure 448325DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 441689DEST_PATH_IMAGE002
为螺旋底端半径，
Figure 9067DEST_PATH_IMAGE003
表示螺距，
Figure 808396DEST_PATH_IMAGE004
表示螺旋线半径每匝的变化量，
Figure 144831DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 636992DEST_PATH_IMAGE006
为螺旋高 度，且
Figure 753984DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 842156DEST_PATH_IMAGE008
表示螺旋匝数，x,y,z为直角坐标系下螺旋线上每一点的坐标。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述天线的材质为良导体材料。
4.根据权利要求3所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述良导体材料为铝、铝合金和不锈钢中的任一种。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，每个双臂螺旋结构中的两个螺旋臂之间通过连接件连接。
6.根据权利要求5所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述连接件通过介质3D打印技术实现。
7.根据权利要求6所述的基于3D打印技术的宽带双向辐射同旋向圆极化螺旋天线，其特征在于，所述连接件的材料可以为任意绝缘材料。
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