CN116404400A - 一种应用新材料的圆柱螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用新材料的圆柱螺旋天线，工作于UHF频段，解决了现有工作于该频段的圆柱螺旋天线因重量太重而无法大范围使用的技术问题。本发明基于由聚酰亚胺薄膜电路板、PMI泡沫圆柱、环氧电路板、金属立柱组成的圆柱螺旋天线。通过在天线结构中采用了聚酰亚胺薄膜和PMI泡沫两种新材料，天线整体重量仅为常用天线重量的10％，非常有利于阵列结构中多单元的使用，本发明可适用于设计各种频段圆柱螺旋天线，圆柱螺旋天线可以作为单元应用于反射面馈源和测试天线，也可以多个螺旋天线组成阵列应用于卫星通信。

Description

一种应用新材料的圆柱螺旋天线

技术领域

本发明属于天线设计技术领域，尤其涉及一种应用新材料的圆柱螺旋天线。

背景技术

螺旋天线是一种行波天线，频带很宽，因此在VHF和UHF频段被广泛应用，既可作为独立天线(或构成螺旋天线阵列)使用，又可作为其他面天线初级馈源；螺旋天线具有很宽频带的电阻特性，只要保证足够的长度，就能很容易实现宽频特性，而且在频带内稳定性非常好，不仅可以实现宽角度覆盖的圆极化特性，而且天线实物还具有体积小，重量轻，结构稳定，增益较高的优点，因而得到了高度的重视，在各种通信领域中都得到了广泛应用。

早期的研究者，用金属导线或金属条绕制成一定尺寸的圆柱或圆锥螺旋线，接入馈电线，就制成了螺旋天线，结构简单，性能良好，这种制作简单的天线实物对早期的研究贡献很大；目前，在工程应用领域，普遍使用的螺旋天线有平面阿基米德螺旋天线、圆锥螺旋天线、圆柱螺旋天线等。

平面阿基米德螺旋天线具有宽频带、小尺寸、圆极化等优点，对阿基米德天线而言，螺旋线外径D取决于下限频率对应的波长，一般应使其周长D＝1.25λ，因此在一些对尺寸要求严格的通信系统中，其应用受到很大限制。

圆锥螺旋天线不但具有普通螺旋天线的优点，即宽频带和良好的圆极化特性，而且辐射特性为单向辐射，同时波瓣宽度很宽，再加上这种结构本身体积小易于加工，可以方便的组装，因此在工程中得到了广泛应用；传统的圆锥螺旋天线在取得较好的天线性能时，所需尺寸为：螺旋高h _max，螺旋线底端外径D 0.375_max，这种螺旋应用于频率较高的领域时，能很好满足所需。

圆柱螺旋天线也具有良好的圆极化和宽频带特性，整体尺寸也小于阿基米德天线，可以应用于较低的UHF频，但是方向图的3dB波瓣宽度较窄，无法实现所需要的半球覆盖特性，因此通常采用圆柱螺旋天线作为天线阵的阵元，利用阵列特性，达到所需的方向图覆盖特性，圆柱螺旋天线阵列具有高增益、宽频带、低轴比等良好性能，可满足很多通信领域的应用技术要求。

但是，通常可应用于UHF频段的圆柱螺旋天线的重量都在3kg以上，当单元数量较多时，天线阵列整体重量会比较大，这就严重限制了天线阵列的应用领域，因此，需要一种应用新材料的圆柱螺旋天线来解决上述问题。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明设计了一种应用新材料的圆柱螺旋天线，重量非常轻，且性能良好，既可作为独立天线使用也可以构成螺旋天线阵列使用。

(二)技术方案

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种应用新材料的圆柱螺旋天线，所述应用新材料的圆柱螺旋天线由环氧电路板、聚酰亚胺薄膜电路板、PMI泡沫圆柱和金属立柱组成；

所述聚酰亚胺薄膜电路板卷绕在PMI泡沫圆柱表面，所述金属立柱下端法兰盘与环氧电路板用螺钉固定，且金属立柱上端小圆盘压在PMI泡沫圆柱上表面，且用螺钉与金属立柱主体紧固，且PMI泡沫圆柱与环氧电路板之间通过金属立柱连接。

优选的，所述聚酰亚胺薄膜电路板厚度为0.125mm，重量为16-20g，且聚酰亚胺薄膜电路板表面沿斜对角平行印刷金属线。

优选的，所述聚酰亚胺薄膜电路板表面印刷的金属线在PMI泡沫圆柱表面呈现螺旋上升，且螺旋的金属线等效于普通螺旋天线的金属螺旋臂。

优选的，所述PMI泡沫圆柱重量为160g，且PMI泡沫圆柱与聚酰亚胺薄膜电路板用聚酰胺树脂加环氧树脂混合胶粘接。

优选的，所述聚酰亚胺薄膜电路板与环氧电路板上都刻有金属线电路，且通过锡焊焊接实现电连接。

优选的，所述圆柱螺旋天线整体重量不超过300g。

(三)有益效果

本发明的有益效果在于：

本发明设计的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，通过在结构中采用了聚酰亚胺薄膜和PMI泡沫这两种新材料，天线整体重量仅为普通圆柱螺旋天线重量的10％，性能却可达到与普通圆柱螺旋天线一致，非常有利于阵列结构中多单元的使用，同时圆柱螺旋天线重量减轻后，可以扩展天线的应用环境，在多天线组阵工作时也有更大的优势。

附图说明

图1为本发明实施例提供的应用新材料的圆柱螺旋天线立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的应用新材料的圆柱螺旋天线立体剖面结构示意图；

图3为本发明实施例提供的应用新材料的圆柱螺旋天线的电流分布图；

图4为本发明实施例提供的应用新材料的圆柱螺旋天线的电流等效图；

图5为环偶极子模型的电流等效图；

图6为本发明实施例提供的应用新材料的圆柱螺旋天线的天线阵列结构示意图；

图7为接收端口电压驻波比数据，左旋圆极化与右旋圆极化；

图8为发射端口电压驻波比数据，左旋圆极化与右旋圆极化；

图9为接收端口左旋圆极化增益方向图数据；

图10为接收端口右旋圆极化增益方向图数据；

图11为发射端口左旋圆极化增益方向图数据；

图12为发射端口右旋圆极化增益方向图数据；

图13为接收端口左旋圆极化轴比方向图数据；

图14为接收端口右旋圆极化轴比方向图数据；

图15为发射端口左旋圆极化轴比方向图数据；

图16为发射端口右旋圆极化轴比方向图数据。

图中：1、环氧电路板；2、聚酰亚胺薄膜电路板；3、PMI泡沫圆柱；4、金属立柱；5、接收左旋端口；6、接收右旋端口；7、发射左旋端口；8、发射右旋端口。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。

如图1-16所示，本发明提供一种技术方案：一种应用新材料的圆柱螺旋天线，应用新材料的圆柱螺旋天线由环氧电路板1、聚酰亚胺薄膜电路板2、PMI泡沫圆柱3和金属立柱4组成；

聚酰亚胺薄膜电路板2卷绕在PMI泡沫圆柱3表面，金属立柱4下端法兰盘与环氧电路板1用螺钉固定，且金属立柱4上端小圆盘压在PMI泡沫圆柱3上表面，且用螺钉与金属立柱4主体紧固，且PMI泡沫圆柱3与环氧电路板1之间通过金属立柱4连接；聚酰亚胺薄膜电路板2厚度为0.125mm，重量为16-20g，且聚酰亚胺薄膜电路板2表面沿斜对角平行印刷金属线，聚酰亚胺薄膜电路板2表面印刷的金属线在PMI泡沫圆柱3表面呈现螺旋上升，且螺旋的金属线等效于普通螺旋天线的金属螺旋臂，高频电流首先流入天线的环氧电路板1，经焊接连接处流入聚酰亚胺薄膜电路板2中，聚酰亚胺薄膜电路板2卷绕在PMI泡沫圆柱3表面，表面印刷的金属线呈现螺旋上升，等效于普通螺旋天线的金属螺旋臂，高频电流在聚酰亚胺薄膜电路板2中激励，形成向外辐射的电磁波，其工作原理与普通螺旋天线一致，性能也与普通螺旋天线一致；PMI泡沫圆柱3重量为160g，且PMI泡沫圆柱3与聚酰亚胺薄膜电路板2用聚酰胺树脂加环氧树脂混合胶粘接；聚酰亚胺薄膜电路板2与环氧电路板1上都刻有金属线电路，且通过锡焊焊接实现电连接；圆柱螺旋天线整体重量不超过300g。

天线工作时，若作为独立天线使用，底部安装射频电缆头，输入外部高频电流；若在阵列中作为单元使用，也可以从馈电电路板的微带线上获得外部高频电流激励，高频电流首先流入天线的环氧电路板1，经焊接连接处流入聚酰亚胺薄膜电路板2中，聚酰亚胺薄膜电路板2卷绕在PMI泡沫圆柱3表面，表面印刷的金属线呈现螺旋上升，等效于普通螺旋天线的金属螺旋臂，高频电流在聚酰亚胺薄膜电路板2中激励，形成向外辐射的电磁波，其工作原理与普通螺旋天线一致，性能也与普通螺旋天线一致，本发明可适用于设计各种频段圆柱螺旋天线，圆柱螺旋天线可以作为单元应用于反射面馈源和测试天线，也可以多个螺旋天线组成阵列应用于卫星通信。

实施例

圆柱螺旋天线的工作原理通常采用环偶极子模型等效法分析，关键点在于将圆柱螺旋天线看成是两个正交馈电的双臂螺旋阵子，对此时的双臂螺旋结构而言，电流分布近似为正弦，如图3所示；

仔细观察电流分布图，可以看出电流的走向与线偶极子和半环偶极子的电流分布十分相似；因此，可以将圆柱螺旋结构等效为一个线偶极子结构和一个半环偶极子结构组合而成，如图4所示；

仔细观察可以发现，中间两个半环上的电流方向刚好相反，可以相互消除，因此电流等效模型可再次简化，如图5所示；分析可得，双臂结构的电流等效模型与环偶极子的电流分布非常相似，称这种方法为环偶极子模型等效法；

对偶极子天线而言，辐射场的电场可以简单的表述为：

进一步化简，得：

其中，

因此，圆柱螺旋天线可以等效为两个环偶极子的有效组合，这两个环偶极子正交且相位差90°，远场辐射的电场可分别表示成：

当幅度

时，圆柱螺旋天线的总场为：

因为此时两个电场分量幅度相等且相位差为90°，因此圆柱螺旋天线可以表现出良好的圆极化性能；同时，可以看出辐射场最大方向位于轴向且只有一个角度，是一种单向辐射；

如图6所示，本实施例为圆柱螺旋天线阵列，总共16个圆柱螺旋天线，天线左、右旋圆极化独立，收、发频率独立，分为四个工作区域端口，每4个同频同极化螺旋组阵，分别为接收左旋端口5、接收右旋端口6、发射左旋端口7、发射右旋端口8；

发射频段工作在860MHz～925MHz，工作于该频段的8个圆柱螺旋天线尺寸为：Φ160mm×h490mm；接收频段工作在400MHz～410MHz，工作于该频段的8个圆柱螺旋天线尺寸为：Φ210mm×h540mm；聚酰亚胺薄膜电路板2上金属绕线的方向可以决定天线为左旋圆极化还是右旋圆极化，从下往上，逆时针绕线为右旋，顺时针绕线为左旋；照此方法，分别加工4个左旋圆极化发射天线、4个右旋圆极化发射天线、4个左旋圆极化接收天线、4个右旋圆极化接收天线；这16个圆柱螺旋天线在阵列中作为单元使用，从系统馈电电路板的微带线上获得外部高频电流激励，接收左旋端口5、接收右旋端口6、发射左旋端口7、发射右旋端口8分别连接射频电缆头；

为了保护天线，四个端口区域分别安装了天线罩；一个圆柱螺旋接收天线重量为288g，一个圆柱螺旋发射天线重量为153g，16个圆柱螺旋天线的总重量为3.528Kg；相较于工作于该频段的普通结构圆柱螺旋天线，仅单个圆柱螺旋天线的重量就为3Kg左右，16个圆柱螺旋天线的总重量为48Kg，因此，应用本发明的圆柱螺旋天线在重量方面有明显的优势；

为了验证本发明所设计的圆柱螺旋天线的性能，在微波暗室对天线阵列进行了电性能测试；测试中，四个工作区域端口分别作为主体单独测试性能；测试数据如图7～16所示；

从数据上可以看出，本发明设计的应用新材料的圆柱螺旋天线，性能良好，可以达到与普通结构圆柱螺旋天线同水平的电性能指标，但重量仅为普通结构圆柱螺旋天线的10％，可以扩展天线的应用环境，在多天线组阵工作时也有更大的优势。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：所述应用新材料的圆柱螺旋天线由环氧电路板(1)、聚酰亚胺薄膜电路板(2)、PMI泡沫圆柱(3)和金属立柱(4)组成；

所述聚酰亚胺薄膜电路板(2)卷绕在PMI泡沫圆柱(3)表面，所述金属立柱(4)下端法兰盘与环氧电路板(1)用螺钉固定，且金属立柱(4)上端小圆盘压在PMI泡沫圆柱(3)上表面，且用螺钉与金属立柱(4)主体紧固，且PMI泡沫圆柱(3)与环氧电路板(1)之间通过金属立柱(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：所述聚酰亚胺薄膜电路板(2)厚度为0.125mm，重量为16-20g，且聚酰亚胺薄膜电路板(2)表面沿斜对角平行印刷金属线。

3.根据权利要求2所述的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：所述聚酰亚胺薄膜电路板(2)表面印刷的金属线在PMI泡沫圆柱(3)表面呈现螺旋上升，且螺旋的金属线等效于普通螺旋天线的金属螺旋臂。

4.根据权利要求1所述的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：所述PMI泡沫圆柱(3)重量为160g，且PMI泡沫圆柱(3)与聚酰亚胺薄膜电路板(2)用聚酰胺树脂加环氧树脂混合胶粘接。

5.根据权利要求1所述的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：所述聚酰亚胺薄膜电路板(2)与环氧电路板(1)上都刻有金属线电路，且通过锡焊焊接实现电连接。

6.根据权利要求1所述的一种应用新材料的圆柱螺旋天线，其特征在于：该所述圆柱螺旋天线整体重量不超过300g。

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