CN104882667A

CN104882667A - 一种多层四臂螺旋天线系统

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Publication number: CN104882667A
Application number: CN201510204670.XA
Authority: CN
Inventors: 李斌; 刘埇; 徐文生; 郭国强; 吕昕; 张萌; 段晓超; 倪鸿宾
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2015-09-02

Abstract

本发明涉及一种多层四臂螺旋天线系统，属于微波技术与天线技术领域。本发明将传统形式的四臂螺旋的三维结构转化为准二维结构，四臂螺旋天线和串联式馈电网络通过带状线转同轴的结构集成在一起，由多层PCB板工艺加工而成。从而大大降低了传统四臂螺旋天线的高度和体积。本发明天线轴向尺寸较传统四臂螺旋天线缩小了91.5％，使用串联型馈电网络保证了馈电部分和天线部分的在尺寸以及形式上的高度集成，保证了天馈系统的一体化。有益效果包天线成品尺寸小剖面低，可靠性高，具有宽波束圆极化和低仰角增益高等特点。适用于北斗手持设备和其他要求天线具有宽波束圆极化及小型化性能的应用。

Description

一种多层四臂螺旋天线系统

技术领域

本发明涉及一种多层四臂螺旋天线系统，属于微波技术与天线技术领域。

背景技术

随着移动卫星通信技术和导航系统的迅速发展,成熟的定位和导航技术已经深入到各个领域，天线作为无线通信中关键装置之一决定着卫星导航系统是否能够正常发挥其作用。北斗手持定位设备要求天线具有宽波束圆极化和小型化等特点，常用的天线形式有多层微带天线、高介电常数陶瓷天线和四臂螺旋天线等。目前，困扰北斗手持设备发展的重要难题是天线尺寸过大，从而阻碍了手持机的小型化趋势。

采用多层微带天线的形式的卫星导航天线十分常见。伦敦大学玛丽皇后学院在2012年设计了单个探针馈电的三频GPS层叠式微带天线(O.P.Falade,M.U.Rehman,Y.Gao,X.D.Chen,and C.G.Parini,“Single Feed Stacked Patch Circular Polarized Antenna for Triple Band GPS Receivers”,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.60,No.10,pp.4479-4484,Oct.2012)，天线的低仰角的极化增益和轴比取得了理想的效果。但天线的三维尺寸为80mm×80mm×4.8mm，水平维尺寸偏大，限制了其在手持机中的应用。

四臂螺旋天线以及变形形式的天线也是各种卫星导航天线尤其是手持设备上常用的天线形式。四臂螺旋天线具有心型的方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性，十分适合作为卫星定位系统接收天线。但传统四臂螺旋天线法向尺寸过大，不能够满足小型化要求。为了解决小型化的问题，研究人员做了大量研究并提出了几种有效的方法：

2001年Leisten提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线(O.Leisten,J.C.Vardaxoglou,P.McEvoy,R.Seager and A.Wingfield,“Miniaturised dielectrically-loaded quadrifilar antenna for global positioning system(GPS)”,IEEE Electronics Letters,Vol.37,No.22,pp.1321-1322,Oct.2001)，该天线采用ε_r＝36的陶瓷填充，天线体积缩小到10.0mm×17.8mm(底面直径×高)，为未加载介质时天线体积的1/6.

2002年Chew提出了一种新型四臂螺旋天线(D.K.C.Chew and S.R. Saunders,“Meander line technique for size reduction of quadrifilar helix antenna”,IEEE Antennas And Wireless Propagation Letters,Vol.1,pp.109-111,2002.)，该天线有四个弯折的螺旋臂，在固定工作频率的情况向，缩短了螺旋臂的延伸长度。从而实现了天线小型化，天线轴向尺寸与传统四臂螺旋天线相比减小了53％。

然而，以上两种天线形式都存在带宽过窄的问题，不能满足北斗定位系统的需求。2011年Rabemanantsoa利用曲流印刷技术实现了四臂螺旋天线的小型化(J.Rabemanantsoa and A.Sharaiha,“Size reduced multi-band printed quadrifilar helical antenna”,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.59,No.9,pp.3138-3143,Sept.2011)。通过将螺旋臂弯折回旋，实现了轴向尺寸减小了43％。通过调整螺旋臂间的耦合，改善了天线的匹配。

然而以上几种形式的四臂螺旋天线仍是典型的三维结构，因此轴向的尺寸很难进一步缩小。

发明内容

本发明针对现有技术尺寸大的缺点，提出了一种多层四臂螺旋天线系统，将传统形式的四臂螺旋的三维结构转化为准二维结构，从而大大降低了传统四臂螺旋天线的轴向高度和体积，并实现宽波束圆极化以及高的低仰角增益。

多层四臂螺旋天线系统包括一个多层四臂螺旋天线和一个串联式带状线馈电网络。多层四臂螺旋天线和串联式带状线馈电网络通过金属过孔集成在一起，整体结构由多层PCB板工艺加工而成。

多层四臂螺旋天线通过多层PCB板加工制成，单层PCB板上表面制作四段水平弧线导带，多层PCB板上对应的水平弧线导带形成四臂螺旋天线的一个螺旋臂。位于同一层PCB板上的四段弧线导带按圆形均匀对称分布，圆心在天线轴线上。每层PCB板上均印刷水平弧线导带，或者部分PCB板上印刷水平弧线导带，中间以没有制作水平弧线导带的PCB板隔开。但多层PCB板的最顶层和最底层一定印制水平弧线导带。所有的水平弧线导带长度、宽度和弧线角度均相等，弧线角度为θ(θ<90°)。相邻层水平弧线导带沿天线轴线旋转θ，相邻层对应同一螺旋臂的水平弧线导带通过垂直于水平面的金属过孔首尾相连，即下层PCB板上水平弧线导带的尾端通过金属过孔与其上层PCB板对应的水平弧线导带的首端相连。通过这种方法将传统四臂螺旋天线的三维结构转化为准二维结构，从而压缩天线轴向尺寸。

串联式带状线馈电网络位于多层四臂螺旋天线的下方，一共有五个端口，五个端口以串联形式连接。其中四个端口旋转对称，为串联式带状线馈电网络的输出端口，分别和多层四臂螺旋天线最底层的四段水平弧线导带的首端通过金属过孔相连接。剩余的一个端口为串联式带状线馈电网络的输入端口，采用同轴线转带状线方式馈电，端口位置不限。串联式带状线馈电网络利用各个端口不同的线宽实现四级功分，把从馈电网络输入端口输入的能量在经过第一个输出端口时按1:3分配，在经过第二个输出端口时按1:2分配，在第三个输出端口时按1:1分配，这样旋转对称的四个端口得到等功率的馈电。同时相邻两个输出端口之间带状线电长度为四分之一个导波波长，因此实现四个端口相位两两相差90°。

有益效果

本发明是多层四臂螺旋天线,将传统四臂螺旋天线的三维结构转化为准二维结构，轴向尺寸较传统四臂螺旋天线缩小了91.5％。使用串联型馈电网络保证了馈电部分和天线部分的在尺寸以及形式上的高度集成，保证了天馈系统的一体化。有益效果包天线成品尺寸小剖面低，可靠性高，具有宽波束圆极化和低仰角增益高等特点。适用于北斗手持设备和其他要求天线具有宽波束圆极化及小型化性能的应用。

附图说明

图1是本发明的多层四臂螺旋天线结构示意图；

图2是本发明的多层四臂螺旋天线各层结构示意图；

图3是本发明的螺旋臂结构示意图，其中(a)为印制在第一层PCB板上表面的水平弧线导带结构示意图，(b)为印制在第四层PCB板上表面的水平弧线导带结构示意图；

图4是本发明的馈电网络结构示意图；

图5是本发明的多层四臂螺旋天线的回波损耗测试结果；

图6是本发明的多层四臂螺旋天线轴线方向的轴比测试结果；

图7是本发明的多层四臂螺旋天线2.492GHz的方向图测试结果；

图8是本发明的多层四臂螺旋天线2.492GHz右旋圆极化增益的测试结果；

标号说明：1-第一/二/三层PCB板，2-第四层PCB板，3-金属层，4-第五层PCB板，5-第六层PCB板，6-金属层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一种优选实例，由图1可以看出多层四臂螺旋天线包括：准二维的四臂螺旋天线，串联式带状线馈电网络。本天线工作在2.492GHz。

作为本发明的一种优选实例，如图2所示，准二维的四臂螺旋天线由四层PCB板构成，材料为FR4，相对介电常数4.4，PCB板的水平维尺寸为43mm×43mm。天线的具体结构设计为每个螺旋臂分为2段水平弧线导带(即每段弧线的角度为45°)分别位于第一层的上表面和第四层的上表面。图3为天线螺旋臂的结构图，每个螺旋臂的总长度L_ele设计为约3/4个导波波长(约为43mm)，因此每段弧线导带的长度为3/8个导波波长。弧线导带的线宽为3mm，位于第一层上表面的弧线通过3层介质板(每层介质板板厚为1.2mm)与位于第四层上表面的弧线以金属过孔相连接，金属化通孔的半径为0.5mm。

作为本发明的一种优选实例，如图2所示，串联式馈电网络位于天线部分的下方，为带状线结构，由第五层和第六层两层PCB板构成。图4所示为本发明的串联式带状线馈电网络。该网络一共有五个端口，其中旋转对称的四个端口和天线的四个臂相连接，剩余的端口为馈电端口。这种馈电网络把输入的能量在经过第一级功分器时按1:3分配，然后在经过第二级时按1:2分配，在第三级分配时为1:1等分，这样旋转对称的四个端口得到等功率的馈电，同时每节微带线电长度为四分之一个导波波长，因此实现四个端口相位两两相差90°。多层PCB板四臂螺旋天线和串联式馈电网络通过带状线转同轴的结构集成在一起。整个天馈系统使用同轴方式馈电。

图5所示为本发明的回波损耗情况，可以看到在2.475GHz-2.55GHz的频率范围内，回波损耗低于-10dB，相对带宽为3.0％。

图6所示为本发明的轴比情况，轴线方向的轴比在整个测量频段内为6.5-8.5dB，满足北斗天线轴比要求。

图7所示为本发明的方向图情况，测试频点为2.492GHz，可以看到，天线方向图不圆度良好，3dB波瓣宽度为110°,波束较宽。

图8所示为本发明轴线方向右旋圆极化增益情况。作为本发明的优选实例，本天线的主极化方向为右旋圆极化增益。在仰角50度上，天线RHCP增益为-0.1dB；在仰角20度上，天线RHCP增益为-3.4dB。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims

1.一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：包括一个多层四臂螺旋天线和一个串联式带状线馈电网络；多层四臂螺旋天线和串联式带状线馈电网络通过金属过孔集成在一起；

多层四臂螺旋天线通过多层PCB板加工制成，单层PCB板上表面制作四段水平弧线导带，多层PCB板上对应的水平弧线导带形成四臂螺旋天线的一个螺旋臂；位于同一层PCB板上的四段弧线导带按圆形均匀对称分布，圆心在天线轴线上；多层PCB板的最顶层和最底层印制水平弧线导带；所有的水平弧线导带长度、宽度和弧线角度均相等，弧线角度为θ；相邻层水平弧线导带沿天线轴线旋转θ，相邻层对应同一螺旋臂的水平弧线导带通过垂直于水平面的金属过孔首尾相连；

串联式带状线馈电网络位于多层四臂螺旋天线的下方，一共有五个端口，五个端口以串联形式连接；其中四个端口旋转对称，为串联式带状线馈电网络的输出端口，分别和多层四臂螺旋天线最底层的四段水平弧线导带的首端通过金属过孔相连接；剩余的一个端口为串联式带状线馈电网络的输入端口，采用同轴线转带状线方式馈电，端口位置不限；串联式带状线馈电网络利用各个端口不同的线宽实现四级功分，把从馈电网络输入端口输入的能量在经过第一个输出端口时按1:3分配，在经过第二个输出端口时按1:2分配，在第三个输出端口时按1:1分配，旋转对称的四个端口得到等功率的馈电；同时相邻两个输出端口之间带状线电长度为四分之一个导波波长，四个端口相位两两相差90°。

2.根据权利要求1所述的一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：每层PCB板上均印刷水平弧线导带。

3.根据权利要求1所述的一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：θ<90°。

4.根据权利要求1所述的一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：部分PCB板上印刷水平弧线导带，中间以没有制作水平弧线导带的PCB板隔开。

5.根据权利要求1所述的一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：首尾相连的具体含义为：下层PCB板上水平弧线导带的尾端通过金属过孔与其上层PCB板对应的水平弧线导带的首端相连。