CN101707283A - 宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽带馈电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。该天线结构紧凑，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

宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及介质加载螺旋天线，特别涉及一种采用宽带网络馈电、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结构。
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。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)。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(εr＝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。之后又有学者提出了一种宽带四臂螺旋天线，该技术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。
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.因此，现有的介质加载圆极化四臂螺旋天线普遍存在带宽窄、加工精度要求高且不易调节等问题，限制了其的广泛使用.
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，提供一种宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线。该天线结构紧凑，设计简单，加工容忍度大，天线性能容易调节，圆极化带宽也很宽，适合便携式移动卫星通信终端。
为实现本发明的目的采用的技术方案：一种宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，由馈电网络和辐射主体组成；所述馈电网络由形状相同的微带介质板(3)和(4)上下层叠组成，微带介质板(3)和(4)相接触的一面形成中间共地板(5)；所述微带介质板(3)朝向辐射主体的一面上和微带介质板(4)背向辐射主体的一面上分别印刷有功分器(7)和(8)，功分器(7)和(8)设置位置相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称；所述功分器(7)和(8)上分别印刷有作为馈电端口的馈电线(1)和(2)，馈电线(1)和(2)分别位于微带介质板(3)和(4)的中部且在空间的位置平行并相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称，在中间共地板(5)的中心开设一个不贯通微带介质板(3)和(4)的矩形缝隙(6)，用于馈电线(1)和(2)构成的平行双线给功分器(7)和(8)反相馈电，所述馈电线(1)和(2)的位置设在矩形缝隙(6)在轴向空间所圈定的范围内；印刷在微带介质板(3)上的功分器(7)的信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线长度比信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线长度长四分之一波长，从信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线与信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线之间设有隔离电阻(9)；印刷在微带介质板(4)上的功分器(8)的信号输出端口(12)到馈电端口(2)的传输线长度比信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线长度长四分之一波长，从信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线与信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线之间设有隔离电阻(9)；所述辐射主体是指设置在馈电网络中微带介质板(3)上的介质圆筒(14)；所述介质圆筒(14)上加载有用于实现圆极化辐射的四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)；馈电网络的信号经由信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别馈给介质圆筒(14)上的四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)。
为了更好地实现本发明，所述隔离电阻(9)采用的是100Ω的隔离电阻(9)。
所述功分器(7)和(8)是指Wilkinson功分器(7)和(8)。
所述的馈电线(1)和(2)均为25Ω的传输线，以便串接形成50Ω便于与普通50ΩSMA头匹配。
所述的矩形缝隙(6)的宽度为馈电线(1)和(2)的宽度之和，长度大于馈电线(1)或(2)的长度。
所述四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为半波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(18)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，并在介质圆筒(14)的上表面边缘处通过短路线(19)短接，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别在介质圆筒(14)的底部与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触。
所述四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为四分之一波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别在介质圆筒(14)的底部与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触。
所述介质圆筒(14)是指采用聚四氟乙烯制成的介质圆筒(14)。
本发明的工作过程是这样的：信号由平行的两条馈电线(1)和(2)反相馈入，分别经过两个Wilkinson功分器(7)和(8)，因而功分器(7)和(8)上的信号是等幅反相的。每个功分器(7)(或(8))输出端(10)和(11)(或(12)和(13))的两路信号幅度相等，相位相差90度。而不同功分器输出的信号等幅反相，即功分器(7)的输出端(10)和(11)信号与功分器(8)的输出端(12)和(13)信号幅度相等，相位相差180度。因而四个输出端(10)、(11)、(12)和(13)的信号幅度相等，而相位依次相差90度。这样，四个输出端(10)、(11)、(12)和(13)的信号分别馈入四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)后，天线便可实现圆极化特性。由于馈电网络具有宽带特性，因而天线可实现宽带辐射。其中，两条平行的馈电线对两个功分器(7)和(8)进行反相馈电在结构上是这样实现的：首先两条平行的馈电线是在中间共地板(5)的中心挖一个矩形缝隙(6)，然后用两段25Ω的传输线(1)和(2)分别印刷在微带介质板(3)朝向辐射主体的一面和微带介质板(4)背向辐射主体的一面，分别给两个功分器(7)和(8)馈电，由于两条平行的馈电线馈入的信号是反相的，因此就实现了对功分器反相馈电。两条平行的馈电线由两段25Ω的传输线(1)和(2)组成，两条平行的馈电线作为馈电端口(1)和(2)。
本发明相对于现有技术的优点和效果是：
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。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2a是本发明的馈电网络中微带介质板(3)朝上的一面的结构示意图；
图2b是本发明的馈电网络中微带介质板(4)朝下的一面的结构示意图；
图2c是本发明的馈电网络中中间共地板(5)的结构示意图；
图3a是本发明的辐射主体结构的一种示意图，其中，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为半波长；
图3b是本发明的辐射主体结构的另一种示意图，其中，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为四分之一波长；
图4是本发明的回波损耗和轴比特性仿真曲线。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明的天线结构如图1、图2a、图2b、图2c、图3a和图3b所示，该天线由馈电网络和辐射主体组成。馈电网络由形状相同的微带介质板(3)和(4)上下层叠组成，微带介质板(3)和(4)相接触的一面形成中间共地板(5)；微带介质板(3)朝向辐射主体的一面上和微带介质板(4)背向辐射主体的一面上分别印刷有Wilkinson功分器(7)和(8)，功分器(7)和(8)设置位置相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称；功分器(7)和(8)上分别印刷有作为馈电端口的馈电线(1)和(2)，馈电线(1)和(2)均为25Ω的传输线，以便串接形成50Ω便于与普通50ΩSMA头匹配。馈电线(1)和(2)分别位于微带介质板(3)和(4)中心的附近，且在空间的位置平行并相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称，在中间共地板(5)的中心开设一个不贯通微带介质板(3)和(4)的矩形缝隙(6)，用于馈电线(1)和(2)构成的平行双线给功分器(7)和(8)反相馈电，馈电线(1)和(2)的位置设在矩形缝隙(6)在轴向空间所圈定的范围内；矩形缝隙(6)的宽度a为馈电线(1)和(2)的宽度之和，长度b略大于馈电线(1)或(2)的长度。
印刷在微带介质板(3)上的功分器(7)的信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线长度比信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线长度长四分之一波长；印刷在微带介质板(4)上的功分器(8)的信号输出端口(12)到馈电端口(2)的传输线长度比信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线长度长四分之一波长；由于反相馈电，端口(10)和(11)的输出信号与端口(12)和(13)的输出信号相位相差180度.而输出端口(10)和(12)到馈电端口(1)的传输线长度比输出端口(11)和(13)到馈电端口(2)的传输线长度长四分之一波长，因而从传输线(10)输出的信号比传输线(11)输出的信号相位滞后90°，从传输线(12)输出的信号比传输线(13)输出的信号相位也滞后90°.这样，从输出端口(10)、(11)、(12)和(13)输出的信号幅度近似相等，而相位依次滞后90°.从信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线与信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线之间设有100Ω隔离电阻(9)，从信号输出端口(12)到馈电端口(2)的传输线与信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线之间也设有100Ω的隔离电阻(9)，以保证各输出端口相位差.辐射主体是指设置在馈电网络中微带介质板(3)上的介质圆筒(14)，介质圆筒(14)上加载有用于实现圆极化辐射的四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18).四根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3a和图3b所示.若设计成半波长，则四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为半波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，并在介质圆筒(14)的上表面边缘处通过短路线(19)短接，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触.若设计成四分之一波长，则四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为四分之一波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)的底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触.馈电网络的信号经由信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别馈给介质圆筒(14)加载的四臂螺旋(15)、(16)、(17)和(18).信号输出端口(12)和(13)与金属螺旋线的接触是通过在微带介质板(3)和(4)上打孔使其中两根金属螺旋线过孔并焊上.介质圆筒(14)推荐采用聚四氟乙烯制成的介质圆筒(14).
本发明的工作过程是这样的：信号由平行的两条馈电线(1)和(2)反相馈入，分别经过两个Wilkinson功分器(7)和(8)，因而功分器(7)和(8)上的信号是等幅反相的。每个功分器(7)(或(8))输出端(10)和(11)(或(12)和(13))的两路信号幅度相等，相位相差90度。而不同功分器输出的信号等幅反相，即功分器(7)的输出端(10)和(11)信号与功分器(8)的输出端(12)和(13)信号幅度相等，相位相差180度。因而四个输出端(10)、(11)、(12)和(13)的信号幅度相等，而相位依次相差90度。这样，四个输出端(10)、(11)、(12)和(13)的信号分别馈入四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)后，天线便可实现圆极化特性。由于馈电网络具有宽带特性，因而天线可实现宽带辐射。其中，两条平行的馈电线对两个功分器(7)和(8)进行反相馈电在结构上是这样实现的：首先两条平行的馈电线是在中间共地板(5)的中心挖一个矩形缝隙(6)，然后用两段25Ω的传输线(1)和(2)分别印刷在微带介质板(3)朝向辐射主体的一面和微带介质板(4)背向辐射主体的一面，分别给两个功分器(7)和(8)馈电，由于两条平行的馈电线馈入的信号是反相的，因此就实现了对功分器反相馈电。两条平行的馈电线由两段25Ω的传输线(1)和(2)组成，两条平行的馈电线作为馈电端口(1)和(2)。
本发明所实现的回波损耗和轴比特性仿真曲线如图4所示，可以看出本发明能实现宽带特性，并且在整个通带内的轴比特性都非常好，因而天线的圆极化性能非常优越。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，由馈电网络和辐射主体组成；所述馈电网络由形状相同的微带介质板(3)和(4)上下层叠组成，微带介质板(3)和(4)相接触的一面形成中间共地板(5)；所述微带介质板(3)朝向辐射主体的一面上和微带介质板(4)背向辐射主体的一面上分别印刷有功分器(7)和(8)，功分器(7)和(8)设置位置相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称；所述功分器(7)和(8)上分别印刷有作为馈电端口的馈电线(1)和(2)，馈电线(1)和(2)分别位于微带介质板(3)和(4)的中部且在空间的位置平行并相对于微带介质板(3)或(4)的圆心中心对称，在中间共地板(5)的中心开设一个不贯通微带介质板(3)和(4)的矩形缝隙(6)，用于馈电线(1)和(2)构成的平行双线给功分器(7)和(8)反相馈电，所述馈电线(1)和(2)的位置设在矩形缝隙(6)在轴向空间所圈定的范围内；印刷在微带介质板(3)上的功分器(7)的信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线长度比信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线长度长四分之一波长，从信号输出端口(10)到馈电端口(1)的传输线与信号输出端口(11)到馈电端口(1)的传输线之间设有隔离电阻(9)；印刷在微带介质板(4)上的功分器(8)的信号输出端口(12)到馈电端口(2)的传输线长度比信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线长度长四分之一波长，从信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线与信号输出端口(13)到馈电端口(2)的传输线之间设有隔离电阻(9)；所述辐射主体是指设置在馈电网络中微带介质板(3)上的介质圆筒(14)；所述介质圆筒(14)上加载有用于实现圆极化辐射的四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)；馈电网络的信号经由信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别馈给介质圆筒(14)上的四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)。
2.根据权利要求1所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述隔离电阻(9)采用的是100Ω的隔离电阻(9)。
3.根据权利要求1所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述功分器(7)和(8)是指Wilkinson功分器(7)和(8)。
4.根据权利要求1的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述的馈电线(1)和(2)均为25Ω的传输线。
5.根据权利要求1所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述的矩形缝隙(6)的宽度为馈电线(1)和(2)的宽度之和，长度大于馈电线(1)或(2)的长度。
6.根据权利要求1所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为半波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(18)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，并在介质圆筒(14)的上表面边缘处通过短路线(19)短接，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别在介质圆筒(14)的底部与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触。
7.根据权利要求1所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)的长度均为四分之一波长，四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)分别于介质圆筒(14)的圆周外表面，依螺旋状路径，沿轴向从介质圆筒(14)底部延伸至介质圆筒(14)的上表面边缘，馈电网络的信号输出端口(10)、(11)、(12)和(13)分别在介质圆筒(14)的底部与四根金属螺旋线(15)、(16)、(17)和(18)相接触.
8.根据权利要求1或6或7所述的宽带网络馈电介质加载圆极化四臂螺旋天线，其特征是，所述介质圆筒(14)是指采用聚四氟乙烯制成的介质圆筒(14)。
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