[发明专利]超宽带高增益螺旋天线

说明书

本申请属于天线技术领域，涉及超宽带高增益螺旋天线，包括：一条呈带状结构的旋臂，以作为螺旋辐射体；所述旋臂的宽度沿着所述螺旋辐射体的直径方向，所述旋臂的外直径不变，且所述旋臂的内直径从底部到顶部逐渐减小；所述旋臂的外直径对应的周长等于辐射波的中心波长，以满足轴向模工作条件；所述旋臂的外边缘和/或所述旋臂的内边缘为波浪线的形状；所述旋臂的圈数为五圈以上；所述旋臂的外边缘形成圆柱螺旋的形状，所述旋臂的内边缘形成圆锥螺旋的形状；所述圆柱螺旋的升角范围是8度至15度；所述圆锥螺旋的底角范围是85度到89度。采用本申请能够在展宽带宽的同时提高方向性。

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及超宽带高增益螺旋天线。

背景技术

圆柱螺旋天线（CHA）是一种典型的圆极化行波天线。由于其连续、光滑、自卷绕及电大尺寸的几何特性，电流波在螺旋导线上通常呈行波状态，电场方向在X/Y轴上周期性地交替变化；再者，由于底部设置了金属反射板，从而形成超宽带、圆极化和定向辐射。圆柱螺旋天线的另一个显著特点是，圆极化旋向与螺旋线的绕向相同，即右手绕为右旋圆极化（RHCP），左手绕则为左旋圆极化（LHCP）。这一简单法则，为天线设计和旋向判断提供了准确可靠的依据。

理论上，圆柱螺旋具有三种工作模式，即法向模（Normal Mode）、轴向模（AxialMode）和圆锥模（Conical Mode）。其中，法向模，其工作波长远大于螺旋周长，最大辐射方向朝法向面，有类似于竖直偶极子的水平全向方向图，可为圆极化或线极化；轴向模，其最大辐射方向朝向螺旋的上端，工作波长约等于螺旋一圈的周长C，即（为中心波长），为圆极化且旋向与螺旋绕向相同；圆锥模，其最大辐射偏向轴向的一侧，轴向则形成零点，螺旋一圈的周长C约为两个工作波长，即（为中心波长），也辐射与绕向相同的圆极化波。显然，轴向模的工作带宽是有限的，即理论相对带宽（中心频率，约56%的带宽）。

圆柱螺旋另一特征是，其阻抗带宽BW、方向性Dir和轴比AR，还高度依赖于圈数N。通常，圈数N至少7~8圈，才能获得较好的综合性能，如带宽BW45%、方向性Dir12dBc、轴比AR3dB等。由于螺旋自身的行波结构，电流波在朝末端传播时不断向空间辐射，导致电流幅度不断衰减，因此，随着圈数N不断增加，各项指标均有所改善，但改善幅度将越来越有限，直至N到达上限时不再改善；同时，由于圈数增多、高度H增大，结构将无法承受自身重量。综合上述各因素，单支圆柱螺旋圈数N通常在7~10圈左右，对应方向性。为了进一步提高方向性，通常将多支螺旋并排或共面组阵，而这又将需要设计复杂的馈电网络，从而增加损耗、降低效率。

由以上分析知，如何展宽圆柱螺旋的带宽、提高方向性并改善轴比，是圆柱螺旋天线技术创新突破的重要方向，在工程上也具有十分光明的应用前景。比如GNSS导航卫星、射电天文站、气象雷达等，超宽带螺旋可显著减少螺旋天线的数量，从而节省安装空间、减轻平台负重等。

然而，展宽带宽需要扩展轴向模的上下限频率，而提高方向性，则需提高整支螺旋的口径效率，如双臂、四臂或增加内圈配置等。通常，直径D渐变可有效地展宽带宽，如圆锥螺旋、球面螺旋等；然而，渐变直径将牺牲周期性，导致方向性明显下降，无法在展宽带宽的同时提高方向性。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超宽带高增益螺旋天线，能够在展宽带宽的同时提高方向性。

超宽带高增益螺旋天线，包括：一条呈带状结构的旋臂，以作为螺旋辐射体；

所述旋臂的宽度沿着所述螺旋辐射体的直径方向，所述旋臂的外直径不变，且所述旋臂的内直径从底部到顶部逐渐减小；所述旋臂的外直径对应的周长等于辐射波的中心波长，以满足轴向模工作条件。

在一个实施例中，所述旋臂的内边缘或/和所述旋臂的外边缘为波浪线的形状。

在一个实施例中，所述旋臂的圈数为五圈以上。