CN101702463B - 一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功分相移网络馈电的介质加载圆极化四臂螺旋天线。宽带馈电网络直接对四线螺旋进行等幅和90°相位差馈电，克服了传统圆极化四臂螺旋天线通过自相移产生90°相位差而存在的带宽窄、不方便调节校正和加工要求高的问题，同时也避免了由于不平衡馈电而需要设计巴仑。本发明结构紧凑，设计简单，具有非常好的宽带圆极化特性，非常适用于便携式移动终端。

Description

一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及介质加载螺旋天线，特别涉及一种采用新型功分相移网络馈电、能工作于宽频段、小体积、适用于手持终端的介质加载四臂螺旋天线。 

背景技术

近年来，卫星通信网络的服务愈来愈受到重视。随着GPS和北斗应用日益普及，迫切需要一种能随时随地与卫星通信的便携式移动终端。天线作为接收机的“耳目”，其性能直接影响接收机信号的质量。 

圆极化四臂螺旋天线最早由C.C.Kilgus在1968年提出。该结构由四根金属螺旋线条构成，通过同轴线对四根金属线馈电，并且在馈电端引入相移，使四根线条有90°电长度差，从而使相邻的两根金属线具有90°相位差的等幅信号，便能产生心脏形的圆极化方向图。这种结构具有不需要接地反射板的优点，在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求，特别是加载高介电常数的介质后天线的整体尺寸很小，因而被应用到便携式卫星通信终端。专利US5859621，US6369776B1，US64243161B以及US6886237B2都属此种结构。但是，由于该结构是通过四根金属线的不同长度来产生90°相位差，随着加载介质介电常数的提高，90°相位差带宽非常窄，不但加工精度要求太高，并且不易修正调校。此外，由于采用同轴内外导体对螺旋线馈电，因而存在不平衡馈电的问题，需要巴仑电路(Balun)设计。 

2001年，英国Sarantel天线公司的Oliver Leisten提出了一种新型的四臂螺旋天线——介质加载四臂螺旋天线(DQHA)。其辐射主体由四根金属螺旋线组成，每根螺旋臂的长度约为λ/2，缠绕在高介电常数(ε_r＝36)的介质柱上。螺旋线的底部与一个套筒balun相连接。该天线由一根穿过介质柱轴心的同轴线在顶部馈电。该四臂螺旋天线可以看作是由两个正交的双臂螺旋组成，电流从同轴线内导体沿着螺旋线往下流，经过balun的边缘和直径正对的那根螺旋线，回到同轴线外导体。为了实现90度相位差馈电，微调两个双臂螺旋的长度，使一个双臂螺旋稍长于谐振长度，产生一个相角为+45度的输入阻抗；使另外一个双臂 螺旋稍短于谐振长度，产生一个-45度的相交。Balun的底部与同轴线的外导体相连，高度为λ/4(λ是波导波长)，等效于在Balun的顶部边缘产生了一个开路，使电流只沿着巴伦的顶部边缘流，将天线与不平衡的馈电系统隔离开来，减小了人体手持对天线性能的影响。 

通过介质加载的方法，不但实现了小尺寸，而且将大部分近场能量耦合到介质里面，在介质外面的近场能量非常小，用在GPS手持机上，人体组织对其产生的影响非常小。同时该结构的天线还包括了完整的巴伦电路(Balun)设计，此设计将天线与不平衡的馈电系统隔离开来，不但进一步减小了人体手持对它的影响，而且能隔离天线周边的讯号，因此能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰。对于整合功能日趋多元化，而且强调轻薄短小的手持式电子产品而言，此特性的重要性不可言喻。基于上述完美的性能，该天线堪称是一项革命性的发明，被业界公认为最适合移动手持终端的GPS天线。 

另外，Oliver Leisten在美国专利申请号US5859621，US6369776B1，US6424316B1以及US6886237B2等专利中对介质加载四臂螺旋天线提出了多种不同的设计和加工方法，如图5，图6，图7，图8所示。而专利号为US6914580B2的专利，介质加载天线，该专利通过合理设计螺旋线之间的间隙从而使电流有多个耦合路径来产生宽带特性，如图9所示。 

介质加载圆极化四臂螺旋天线因其具有尺寸小、不需要接反射板、能产生心脏形的圆极化方向图和在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求等优点而广泛应用于便携式卫星通信移动终端。目前的介质加载四臂螺旋天线结构大多是采用自相移来产生90°相位差，即在设计四线螺旋时，使相邻的两根螺旋线之一的长度略大于谐振波长以产生+45°相位，另一螺旋线长度略小于谐振波长以产生-45°相位，而相对的两根螺旋长度相等，但使用同轴内外导体反相馈电。这样四根螺旋线上电流相位分别为+45°、-45°、(180+45)°和(180-45)°，因而可实现圆极化辐射。由于同轴内外导体对四根螺旋馈电存在不平衡馈电问题，所以需要在四根螺旋线的末端设计长度为四分之一介质波长的巴仑来抑制同轴外导体上的电流辐射。 

但是，目前的介质加载圆极化四臂螺旋天线存在加工精度要求高、天线性能不易调节和带宽太窄等问题。 

发明内容

本发明的目的是克服现有介质加载圆极化四臂螺旋天线带宽窄、加工精度要求高且不易调节等问题，提供一种新型功分相移网络馈电的介质加载四臂螺旋天线。该天线结构紧凑，加工容忍度大，天线性能容易调节，不需要巴仑设计，圆极化带宽也很宽，适合便携式移动卫星通信终端。 

本发明的目的具体通过以下技术方案实现： 

一种具有功分相移网络馈电的介质加载四臂螺旋天线，四臂螺旋天线由四根金属螺旋线组成，分别为金属螺旋线(18)、金属螺旋线(19)、金属螺旋线(20)和金属螺旋线(21)。四根金属螺旋线加载在介质圆筒(17)上由介质圆筒(17)支撑，用于实现圆极化辐射，其中所述的介质圆筒(17)为辐射主体。馈电网络由微带介质板(1)、中间地板(6)和微带介质板(2)由上至下堆叠，然后与微带介质板(3)垂直放置组合而成。微带介质板(1)和微带介质板(2)之间的中间地板(6)的宽度与微带介质板(1)与微带介质板(2)的宽度相等，而长度小于微带介质板(1)与微带介质板(2)的长度，微带介质板(1)与微带介质板(2)的长度与地板(6)的长度差等于平行双线(4)的长度。 

所述的四根金属螺旋线的电长度均为半波长或均为四分之一波长，当四根金属螺旋线的电长度均为半波长时，四根金属螺旋线的末端需要通过短路线(22)短接。四根金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)分别于介质圆筒(17)的圆周外表面，依螺旋状路径从介质圆筒(17)底部延升至介质圆筒(17)的上表面边缘，同时，四根金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)中任意相邻根金属螺旋线在介质圆筒(17)上的间距都相同。 

其中，微带介质板(1)和微带介质板(2)背向中间地板(6)的一面上分别印刷有一Wilkinson功分器，两个功分器上分别印刷有作为馈电端口的平行双线(4)，中间地板(6)的宽度a与微带介质板(1)或微带介质板(2)的宽度相等，而长度b小于微带介质板(1)或微带介质板(2)的长度，微带介质板(1)或微带介质板(2)的长度与中间地板(6)的长度差等于平行双线(4)的长度c。由平行双线(4)给两个Wilkinson功分器(5)馈电，这样两个Wilkinson功分器(5)上的信号幅度相等，相位相差180°。每个Wilkinson功分器(5)将馈入的信号分成幅度和相位相等的两个输出信号，所以从两个Wilkinson功分器(5)输出的四路信号幅度相等，从同一Wilkinson功分器(5)输出的两路信号 相位相等，从不同Wilkinson功分器(5)输入的信号相位相差180°，并且每个Wilkinson功分器(5)的两个输出端都使用100Ω隔离电阻(7)。 

此外，微带介质(3)上与介质圆筒相背的一面上印刷有一相移器，该相移器由四根50Ω微带传输线组成，分别为传输线(9)、传输线(10)、传输线(11)和传输线(9)。每个传输线均有一输出端口，传输线(9)、(10)、(11)、(12)分别对应输出端口(13)、(14)、(15)、(16)。四根50Ω微带传输线(9)、(10)、(11)和(12)对应的四个输出端口(13)、(14)、(15)和(16)分别位于微带介质板(3)背向主辐射体那一面的四条边的正中间。所述的传输线(9)和传输线(10)电长度相差四分之一波长；传输线(11)和传输线(12)电长度相差四分之一波长；传输线(9)和传输线(11)电长度相等；传输线(10)和传输线(12)电长度相等。 

外部射频信号经过平行双线(4)反相馈入两个Wilkinson功分器(5)从而被分成四路信号，从两个Wilkinson功分器输出的四路信号幅度相等，相位分别为0°、-90°-180°和-270°，四路信号分别从输出端口(13)、输出端口(14)、输出端口(15)和输出端口(16)输出，然后分别馈入金属螺旋线(18)、金属螺旋线(19)、金属螺旋线(20)和金属螺旋线(21)，以实现圆极化辐射。四根50Ω微带传输线(9)、(10)、(11)和(12)对应的四个输出端口(13)、(14)、(15)和(16)分别位于微带介质板(3)背向介质圆筒(17)的那一表面，且四个输出端口(13)、(14)、(15)和(16)分别位于该表面的四条边的正中间。 

与现有技术相比，本发明具有如下优点： 

1)传统介质加载圆极化四臂螺旋天线由于是通过螺旋线自相移产生90°相位差来实现圆极化，随着介质介电常数提高，90°自相移的带宽非常窄，因而圆极化带宽也非常窄，而本发明是通过宽带馈电网络直接对四线螺旋进行等幅和90°相位差馈电，馈电信号不受加载介质的介电常数影响，因而可以实现宽带圆极化特性； 

2)由于传统介质加载圆极化四臂螺旋天线存在不平衡馈电问题，因而需要设计巴仑，而本发明通过平行耦合线馈电，避免了不平衡馈电，不需要巴仑设计； 

3)本发明克服了传统介质加载圆极化四臂螺旋天线加工精度要求高、天线性能不易调节和带宽太窄的问题，结构设计简单，可以实现宽带圆极化特性， 不但具有很大的加工容忍度，而且天线的整体结构紧凑，适用于便携式卫星通信终端。 

附图说明

图1为本发明一具体实施例的的整体结构示意图； 

图2(a)为本发明一具体实施例的馈电网络结构整体示意图； 

图2(b)为本发明一具体实施例的功分网络结构示意图； 

图2(c)为本发明一具体实施例的相移网络结构示意图； 

图3(a)为本发明一具体实施例的半波长短路四臂螺旋结构示意图； 

图3(b)为本发明一具体实施例的四分之一波长开路四臂螺旋结构示意图； 

图4为本发明一具体实施例的回波损耗和轴比特性仿真曲线； 

图5为一现有发明的介质加载天线结构示意图； 

图6为一现有发明的介质加载天线结构示意图； 

图7为一现有发明的介质加载天线结构示意图； 

图8为一现有发明的介质加载天线结构示意图； 

图9为一现有发明的介质加载天线结构示意图。 

具体实施方式

下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述，但是本发明的实施方法和要求保护的范围并不局限于此。 

图1所示结构包括新型功分相移馈电网络和介质加载四臂螺旋，其结构分别如图2(a)、2(b)、2(c)、3(a)、3(b)所示。如图2(a)、2(b)所示，馈电网络由微带介质板(1)、中间地板(6)和微带介质板(2)由上至下堆叠，然后与微带介质板(3)垂直放置组合而成。四臂螺旋天线由四根金属螺旋线组成，分别为金属螺旋线(18)、金属螺旋线(19)、金属螺旋线(20)和金属螺旋线(21)。四根金属螺旋线加载在介质圆筒(17)上由介质圆筒(17)支撑，用于实现圆极化辐射。 

其中功分网络和相移器分别如图2(b)和2(c)所示。分别印刷在微带介质板(1)和微带介质板(2)的完全相同的Wilkinson功分器(5)共中间地板(6)堆叠在一起，中间地板(6)的宽度a与微带介质板(1)或微带介质板(2)的宽度相等，而长度b小于微带介质板(1)或微带介质板(2)的长度，微带介质板(1)或微带介质板(2)的长度与地板(6)的长度差等于平行双线(4) 的长度c。由平行双线(4)给Wilkinson功分器(5)馈电。这样经两功分器输出的四路信号幅度相等，但只有同一功分器输出的两信号相位才相等，不同功分器输出的信号相位相差180°。相移网络由印刷在微带介质板(3)上的四根50Ω微带传输线(9)、(10)、(11)和(12)组成，四根50Ω微带传输线(9)、(10)、(11)和(12)对应的四个输出端口(13)、(14)、(15)和(16)分别位于微带介质板(3)背向主辐射体那一面的四条边的正中间。其中传输线(9)与(11)、传输线(10)与(12)的电长度分别相同，而传输线(9)与(10)、传输线(11)与(12)的电长度分别相差四分之一波长。这样从传输线(9)输出的信号比传输线(10)输出的信号相位滞后90°，从传输线(11)输出的信号比传输线(12)输出的信号相位也滞后90°。由于传输线(9)和传输线(10)与传输线(11)和传输线(12)的馈入信号相差180°，因而传输线(9)、(10)、(11)和(12)的输出端口(13)、(14)、(15)和(16)的信号幅度近似相等，而相位依次滞后90°。为了保证各输出端口相位差，使用100Ω隔离电阻(7)；为了保证从功分网络到相移器功率的最大传输，功分器的地板与相移网络的地板通过一长短路片(8)电接触。 

四根金属螺旋线的长度或者为半波长，或者为四分之一波长，分别如图3(a)和3(b)所示。若设计成半波长，四根金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)的末端需通过短路线(22)短接，如果设计成四分之一波长就不需要。馈电网络的信号经由输出端口(13)、(14)、(15)和(16)分别馈给介质圆筒(17)加载的四臂金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)。四根金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)分别于介质圆筒(17)的圆周外表面，依螺旋状路径从介质圆筒(17)底部延升至介质圆筒(17)的上表面边缘，四根金属螺旋线(18)、(19)、(20)和(21)中任意相邻根金属螺旋线在介质圆筒(17)上的间距都相同，即螺旋线(18)和螺旋线(19)、螺旋线(19)和螺旋线(20)、螺旋线(20)和螺旋线(21)以及螺旋线(21)和螺旋线(18)之间的间距相等。 

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。 

Claims (10)

1.一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于包括馈电网络和四根金属螺旋线，其中馈电网络由第一微带介质板(1)、中间地板(6)和第二微带介质板(2)由上至下堆叠，然后与第三微带介质板(3)垂直放置组合而成，其中，中间地板(6)与第三微带介质板(3)的地用一长的短路片(8)连接，第三微带介质板(3)上相背于中间地板(6)的另一面设置有一介质圆筒(17)，四根金属螺旋线分别为加载在介质圆筒(17)上的用于实现圆极化辐射的第一金属螺旋线(18)、第二金属螺旋线(19)、第三金属螺旋线(20)和第四金属螺旋线(21)，此外，第一微带介质板(1)背向中间地板(6)的一面上印刷有功分器一，第二微带介质板(2)背向中间地板(6)的一面上印刷有功分器二，同时，第三微带介质板(3)背向介质圆筒(17)的一面上印刷有相移器，该相移器由四根50Ω微带传输线组成，其中，四根50Ω微带传输线分别为第一传输线(9)、第二传输线(10)、第三传输线(11)和第四传输线(12)。

2.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于所述的四根金属螺旋线(18、19、20和21)的电长度均为半波长或均为四分之一波长，四根金属螺旋线(18、19、20和21)分别于介质圆筒(17)的圆周外表面，依螺旋状路径从介质圆筒(17)底部延升至介质圆筒(17)的上表面边缘，当四根金属螺旋线(18、19、20和21)的电长度均为半波长时，四根金属螺旋线的末端需要通过短路线(22)短接，馈电网络的第一输出端口(13)与第一金属螺旋线(18)、第二输出端口(14)与第二金属螺旋线(19)、第三输出端口(15)与第三金属螺旋线(20)、第四输出端口(16)与第四金属螺旋线(21)分别在介质圆筒(17)的底部相接触，四根金属螺旋线(18、19、20和21)中任意两根相邻的金属螺旋线在介质圆筒(17)上的间距都相同。

3.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于所述的功分器一和功分器二都是Wilkinson功分器(5)。

4.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于：所述的第一传输线(9)和第二传输线(10)电长度相差四分之一波长；第三传输线(11)和第四传输线(12)电长度相差四分之一波长；第一传输线(9)和第二传输线(11)电长度相等；第三传输线(10)和第四传输线(12)电长度相等。

5.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，每根50Ω微带传输线均有一输出端口，其中，第一传输线(9)对应第一输出端口(13)，第二传输线(10)对应第二输出端口(14)，第三传输线(11)对应第三输出端口(15)，第四传输线(12)对应第四输出端口(16)。

6.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，四根50Ω微带传输线(9、10、11和12)对应的四个输出端口(13、14、15和16)分别位于微带介质板(3)背向介质圆筒(17)的那一表面，且四个输出端口(13、14、15和16)分别位于该表面的四条边的正中间。

7.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，所述的功分器一和功分器二上分别印刷有作为馈电端口的平行双线(4)，外部射频信号由平行双线(4)反相馈入功分器一和功分器

8.根据权利要求1所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，第一微带介质板(1)和第二微带介质板(2)之间的中间地板(6)的宽度与第一微带介质板(1)与第二微带介质板(2)的宽度相等，而长度小于第一微带介质板(1)与第二微带介质板(2)的长度，第一微带介质板(1)与第二微带介质板(2)的长度与中间地板(6)的长度差等于平行双线(4)的长度。

9.根据权利要求1或7所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，功分器一和功分器二的四个输出端分别与相移器的四根50Ω微带传输线电连接，外部射频信号经过功分器一和功分器二被等分成四路后首先分别经过第一传输线(9)、第二传输线(10)、第三传输线(11)和第四传输线(12)，接着分别从第一输出端口(13)、第二输出端口(14)、第三输出端口(15)和第四输出端口(16)输出，再分别馈入第一金属螺旋线(18)、第二金属螺旋线(19)、第三金属螺旋线(20)和第四金属螺旋线(21)。

10.根据权利要求1或7所述的一种具有功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于，功分器一和功分器二输出的四路信号幅度相等，同一功分器输出的两路信号相位相等，不同功分器输出的信号相位相差180°。每个功分器的两个输出端口都使用100Ω隔离电阻(7)。

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