一种小型螺旋天线.pdf

一种小型螺旋天线，涉及一种天线。它解决了现有的螺旋天线体积大的问题。一种小型螺旋天线，螺旋导线缠绕成螺旋状的天线，且螺旋导线的一端与阻抗变换器的一端连接，所述螺旋天线的螺旋圈数为至少一周，所述螺旋天线的螺旋上升角为5度～20度。本发明适用于卫星、飞船、弹道火箭等，应用于发射或接收圆极化电磁波信号。

1、  一种小型螺旋天线，它包括阻抗变换器(2)，其特征是：它还包括螺旋导线(1)，所述螺旋导线(1)缠绕成螺旋状的天线，且螺旋导线(1)的一端与阻抗变换器(2)的一端连接，所述螺旋天线(2)的螺旋圈数为至少一周，所述螺旋天线(2)的螺旋上升角为5度～20度。

2、  根据权利要求1所述的一种小型螺旋天线，其特征在于，所述螺旋天线(1)的螺旋直径D、螺旋周长C、螺距S、螺旋上升角α、单圈长度L、圈数N、轴向长度h、螺旋导线直径d满足公式：
C＝πD；
S＝C tanα
α=arctan=SC;]]>
L=C2+S2;]]>
h＝NS；
所述螺旋直径D为线圈的中心之间的距离。

3、  根据权利要求1或2所述的一种小型螺旋天线，其特征在于，所述螺旋导线(1)的螺旋上升角为12度～14度。

4、  根据权利要求3所述的一种小型螺旋天线，其特征在于它还包括圆柱体(3)，所述螺旋导线(1)沿圆柱体(3)的外表面缠绕成螺旋状的天线。

5、  根据权利要求1、2或4所述的一种小型螺旋天线，其特征在于它还包括同轴接头(4)和金属地板(5)，所述金属地板(5)与圆柱体(3)的一端连接，所述同轴接头(4)的探针穿过金属地板(5)与阻抗变换器(2)的另一端连接。

6、  根据权利要求5所述的一种小型螺旋天线，其特征在于所述阻抗变换器(2)为一段渐宽的金属片。

一种小型螺旋天线
技术领域
本发明涉及一种天线。
背景技术
螺旋天线的工作模式有法向模式、轴向模式和边射模式三种，其中轴向模式由于其辐设效率高，频带宽，在大频带内阻抗可以看成是纯阻等原因，成为常用的工作模式。轴向模式可以采用增加圈数或多个螺旋天线组阵的方法提高增益，常用于米波分米波通信。常见的单绕轴向模式螺旋天线在正常工作时，其辐射中心频率对应波长λ与螺旋天线每圈的长度L的关系是：3/4＜L/λ＜4/3，由于真空中频率f与波长λ和光速c之间存在关系如下：f·λ＝c，其中光速c＝3×10⁸米/秒可看作是恒定值，这样f与λ存在反比例关系，即当频率f越小的时候对应的波长λ就越大，为保证螺旋天线仍然工作于轴向模的模式，螺旋天线的单圈周长也就越大，增益越高螺旋天线的圈数也就越多，因此，螺旋天线的体积很大，影响了螺旋天线的便携性和天线的应用。
发明内容
本发明是为了解决现有的螺旋天线体积大的问题，从而提出一种小型螺旋天线。
一种小型螺旋天线，它包括阻抗变换器，它还包括螺旋导线，所述螺旋导线缠绕成螺旋状的天线，且螺旋导线的一端与阻抗变换器的一端连接，所述螺旋天线的螺旋圈数为至少一周，所述螺旋天线的螺旋上升角为5度～20度。
有益效果：本发明在保证螺旋天线的中心频率基本不变、增益、带宽、轴比特性基本不变的情况下，极大的减小了螺旋天线的体积，达到了天线小型化的目的，本发明同比占用的空间约为仅为普通螺旋天线体积的7.4％，小型化效果明显。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，图2是本发明具体实施方式四和五的结构示意图，图3是传统的中心频率在915MHz的螺旋天线的增益结果、3dB波瓣宽度和方向图；图4是本发明的增益结果、3dB波瓣宽度和方向图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1说明本具体实施方式，一种小型螺旋天线，它包括阻抗变换器2，它还包括螺旋导线1，所述螺旋导线1缠绕成螺旋状的天线，且螺旋导线1的一端与阻抗变换器2的一端连接，所述螺旋天线2的螺旋圈数为至少一周，所述螺旋天线2的螺旋上升角为5度～20度。
本发明的天线可以应用在几十兆赫兹到几个吉赫兹的范围内。
具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种螺旋聚束小型天线的区别在于，所述螺旋天线的螺旋直径D、螺旋周长C、螺距S、螺旋上升角α、单圈长度L、圈数N、轴向长度h、螺旋导线直径d满足公式：
C＝πD；
S＝Ctanα；
α=arctan=SC;]]>
L=C2+S2]]>
h＝NS
所述螺旋直径D为材料线圈的中心之间的距离。
由于螺旋天线周长约为一个波长，故每圈相对两边的电流相位相反，而每圈本身对于相对点的电流有起到倒向的作用，所以每圈相对点上的电流实质为同相，因此导致沿螺旋轴向远场加强，轴向模天线载波几乎是纯行波，电流沿螺旋线不断旋转，电场矢量也不断旋转，使沿轴向辐射场近似圆极化。由于椭圆极化天线可以用相互垂直的相差90°的线极化天线表示，因而总能接收旋转线极化天线辐射的信号。
当螺旋天线的参数在相当大的范围内变动(5°＜α＜20°，3/4λ＜C＜4/3λ时，相速能够自动调节到保持增大其方向性的状态)，行波相速使轴向螺旋天线产生沿轴向的端射波瓣，方向图可以视为N元均匀激励等间距端射阵求出，每圈的单元方向图可以用一环天线近似。随着轴向模螺旋天线几何参数的变化，行波的相速会自动调节保持增强方向性。
在12°＜α＜15°，3/4λ＜C＜4/3λ，N＞3时，螺旋天线有如下参量的公式：


方向性系数在考虑副瓣和波瓣图形状的细节时得到如下公式：
D≈12(C/λ)²N(S/λ)
无限长的螺旋天线产生理想的圆极化，有限长的螺旋天线沿最大辐射方向得到的是椭圆极化波，轴比为公式为：
|AR|=2N+12N]]>
可见，当N很大时，极化近乎是圆的。
轴向模螺旋天线实质是行波天线，输入阻抗几乎是纯电阻；当轴向馈电时输入阻抗为：R＝140C/λ，当周向馈电时输入阻抗为：R=150/C/λ]]>
由于轴向模螺旋天线在3/4λ＜C＜4/3λ频率范围内保持端射方向图，轴向辐射场接近圆极化，并且行波相速随频率做线性变化，以保持增强方向性条件，因而轴向螺旋天线的绝对带宽可达fufL=C/λuC/λk=4/33/4=1.78,]]>绝对带宽接近2:1符合宽频带天线定义的带宽要求。
本发明在螺旋天线工作于轴向模的模式时，方向图主瓣在天线的轴向，主瓣宽度在30～60°范围内，近似为纯电阻，其值在100-150欧姆之间；极化椭圆轴比小于1dB。兼顾方向图、阻抗和轴比均合理的最佳螺距角约14°。
具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一或二所述的一种螺旋聚束小型天线的区别在于，所述螺旋导线1的螺旋上升角为12度～14度。
具体实施方式四：本具体实施方式与具体实施方式三所述的一种螺旋聚束小型天线的区别在于，它还包括圆柱体3，所述螺旋导线1沿圆柱体3的外表面缠绕成螺旋状的天线。
具体实施方式五：本具体实施方式与具体实施方式一、二或四所述的一种螺旋天线的区别在于，它还包括同轴接头4和金属地板5，所述金属地板5与圆柱体3的一端连接，所述同轴接头4的探针穿过金属地板5与阻抗变换器2的另一端连接。
具体实施方式六：本具体实施方式与具体实施方式五的所述的一种螺旋聚束天线的区别在于，所述阻抗变换器2为一段渐宽的金属片。
具体实施方式七：本具体实施方式使用具体实施方式一所述的一种螺旋天线，结合一种现有普通螺旋天线和本发明的具体实例，说明本发明的效果：
普通螺旋天线：中心频率915MHz，反射损耗小于-10dB的带宽370MHz，线圈所围成的柱体的直径的直径为10cm，周长为31.4cm，螺距为9cm，缠绕圈数为4圈，螺旋轴长为36cm，每周导线的周长为32.7cm，占用空间体积为2826cm³，与中心频率915MHz对应的波长32.8cm十分接近；
本发明的采用螺旋形导线的螺旋聚束天线，中心频率为：915MHz，反射损耗小于-10dB的带宽为281MHz，此时线圈所围的柱体的直径为4cm，周长为12.56cm，螺距为4.2cm，螺旋圈数4圈，螺旋轴长A＝16.8cm，空间体积为211cm³；
因此本发明的螺旋天线占用的空间体积约为普通螺旋天线体积的7.4％。
本实施方式中对处于同频段的传统螺旋天线和本发明的小型化螺旋天线的性能在微波暗室中进行了测试，并得出了这两种天线的方向图、3dB波瓣宽度和增益结果，传统螺旋天线的方向图如图1所示，增益约为6dB，而本发明的方向图如图2所示，其增益约为5.2dB。
对比这两种天线的各项性能，可以看出两者的性能接近，但本发明的天线的体积仅为传统螺旋天线的7.4％，小型化效果明显。