CN105119047A - 新型馈电结构的四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，包括轴心处具有通孔的陶瓷柱体、上PCB印刷电路板、下PCB印刷电路板和PCB印刷连接板；陶瓷柱体外侧面的下部沿周向具有巴伦线，陶瓷柱体外侧面上间隔地缠绕有四条金属螺旋臂；上PCB印刷电路板的上表面和下表面分别印刷有扇形上导电层和扇形下导电层，四条金属螺旋臂中第一、第二金属螺旋臂各自的金属调节区通过焊接电连接到扇形上导电层，其余的第三、第四金属螺旋臂与扇形下导电层耦合；PCB印刷连接板的前侧面具有接地金属区、位于PCB印刷连接板上部的输入端区；扇形下导电层电连接到PCB印刷连接板的接地金属区。本发明回波损耗小于-25dB，顶点增益大于-2dB，有效减小了天线的整体尺寸，圆极化性能良好。

Description

新型馈电结构的四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种四臂螺旋天线，尤其涉及一种新型馈电结构的四臂螺旋天线。

背景技术

天线作为实现无线电应用的关键设备，随着通信、广播、雷达及定位灯无线电应用系统的发展而发展，近年来GPS以及北斗的普及使得其在车辆导航及个移动终端的上的应用越来越广泛。

四臂螺旋天线的概念最早是由C.C.Kilgus于1968年提出的，他用环偶极子模型分析了半波长谐振式四臂螺旋天线，得出了四臂螺旋天线半球覆盖的心型方向图和优良的圆极化特性。该天线被认为是最理想的定位接收天线，但是较大的尺寸一直制约其在小型接收设备上的应用，采用介质加载后天线尺寸显著减小，近年来不断应用在高端定位设备上。

介质加载天线通过馈线与四条臂直接相连进行馈电，其中一个双臂螺旋天线长度稍长于谐振长度,从而使其输入阻抗产生一个正45度的相位；而另一个双臂螺旋天线长度稍短于谐振长度，从而使其输入阻抗产生一个负45度的相位，最终使得两个双臂螺旋天线上的相位相差90度，实现自相移馈电，底部套筒巴伦实现平衡馈电，将电流限制在巴伦边缘减少周围物体对天线的影响。

发明内容

本发明提供一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，此四臂螺旋天线结构稳定，易于焊接组装，S参数比传统同轴线馈电方式更优，回波损耗小于-25dB，顶点增益大于-2dB，插入损耗大于-0.1dB，而传输损耗比传统同轴馈电方式更低，从而保证了天线的整体性能；可以通过改变图形形状实现与四臂螺旋天线的耦合馈电，有效减小了天线的整体尺寸，圆极化性能良好。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，包括轴心处具有通孔的陶瓷柱体、上PCB印刷电路板、下PCB印刷电路板和PCB印刷连接板，所述上PCB印刷电路板、下PCB印刷电路板分别位于通孔上开口内和下部，所述PCB印刷连接板在陶瓷柱体的通孔内并位于上PCB印刷电路板、下PCB印刷电路板之间；

所述陶瓷柱体外侧面的下部沿周向具有巴伦线，所述陶瓷柱体外侧面上间隔地缠绕有四条金属螺旋臂，此四条金属螺旋臂上端延伸至陶瓷柱体上端面并在陶瓷柱体上端面相应地形成金属调节区，此金属螺旋臂下端连接到所述巴伦线，四个所述金属调节区中央均开有一缝隙；

所述上PCB印刷电路板的上表面和下表面分别印刷有扇形上导电层和扇形下导电层，所述下PCB印刷电路板具有接地金属区和输出端区；

所述四条金属螺旋臂中第一、第二金属螺旋臂各自的金属调节区通过焊接电连接到上PCB印刷电路板的扇形上导电层，其余的第三、第四金属螺旋臂与扇形下导电层耦合；

所述PCB印刷连接板的前侧面具有接地金属区、位于PCB印刷连接板上部的输入端区，所述PCB印刷连接板的后侧面具有金属连接条；

所述扇形下导电层电连接到PCB印刷连接板的接地金属区，所述扇形上导电层通过导线柱电连接到PCB印刷连接板的输入端区，所述金属连接条两端均通过导线柱分别电连接到输入端区和输出端区；位于下PCB印刷电路板的接地金属区与巴伦线电连接。

上述技术方案中改进的技术方案如下：

1.上述方案中，所述扇形上导电层位于上PCB印刷电路板的中央具有一突起部，所述扇形下导电层位于上PCB印刷电路板的中央具有一弧形凹陷部，在竖直方向上扇形上导电层的突起部位于扇形下导电层的弧形凹陷部内。

2.上述方案中，所述金属螺旋臂材质为铜、镍和金中的至少一种。

3.上述方案中，所述金属螺旋臂长度为介质中波长的二分之一。

4.上述方案中，所述巴伦线的高度与陶瓷柱体底面半径之和为工作波长的四分之一。

5.上述方案中，所述接地金属区与巴伦线通过金属件或点焊电连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明新型馈电结构的四臂螺旋天线，其结构稳定，易于焊接组装，S参数比传统同轴线馈电方式更优，而传输损耗比传统同轴馈电方式更低，从而保证了天线的整体性能；且采用了顶部PCB形式，可以通过改变图形形状实现与四臂螺旋天线的耦合馈电，本发明耦合馈电结作为等效平板电容放在天线顶部，实现向50欧姆标准输出阻抗的匹配，有效减小了天线的整体尺寸，回波损耗小于-25dB，顶点增益大于-2dB，插入损耗大于-0.1dB，轴比小于0.7，左右极化隔离度大于34dB，天线的波束宽度都超过130°，可以接收接近地平线的卫星信号，定位精度更高上部半球面效率大于50%，全球面效率大于20%；其次，其提高了天线生产的合格率，并在性能上具有更加优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被束缚在陶瓷核内，近场很小，天线受手机、人体等周围环境影响很小。

附图说明

附图1为本发明新型馈电结构的四臂螺旋天线结构示意图；

附图2为本发明上PCB印刷电路板和PCB印刷连接板结构示意图；

附图3为本发明四臂螺旋天线中上PCB印刷电路板结构示意图；

附图4为本发明下PCB印刷电路和PCB印刷连接板结构示意图；

附图5为附图4的后视结构示意图；

附图6为本发明天线的回波损耗示意图；

附图7为本发明天线辐射方向图（Phi=0）示意图；

附图8为本发明天线辐射方向图（Phi=90）示意图；

附图9为本发明天线轴比随Theta变化曲线示意图；

附图10为本发明共面波导转带状线双端口S参数示意图；

附图11为本发明共面波导转带状线传输损耗示意图；

附图12为本发明带共面波导转带状线结构的四臂螺旋天线实物测试S参数示意图；

附图13为本发明带共面波导转带状线结构的四臂螺旋天线实物测试辐射方向图及无源数据示意图。

以上附图中：1、陶瓷柱体；2、上PCB印刷电路板；3、下PCB印刷电路板；4、PCB印刷连接板；5、通孔；6、巴伦线；7、金属螺旋臂；71、第一金属螺旋臂；72、第二金属螺旋臂；73、第三金属螺旋臂；74、第四金属螺旋臂；8、扇形上导电层；9、扇形下导电层；101、接地金属区；102、接地金属区；11、输出端区；12、金属调节区；13、缝隙；14、输入端区；15、金属连接条；16、突起部；17、弧形凹陷部。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，包括轴心处具有通孔5的陶瓷柱体1、上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3和PCB印刷连接板4，所述上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3分别位于通孔5上开口内和下部，所述PCB印刷连接板4在陶瓷柱体1的通孔5内并位于上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3之间；

所述陶瓷柱体1外侧面的下部沿周向具有巴伦线6，所述陶瓷柱体1外侧面上间隔地缠绕有四条金属螺旋臂7，此四条金属螺旋臂7上端延伸至陶瓷柱体1上端面并在陶瓷柱体1上端面相应地形成金属调节区12，此金属螺旋臂7下端连接到所述巴伦线6，四个所述金属调节区12中央均开有一缝隙13；

所述上PCB印刷电路板2的上表面和下表面分别印刷有扇形上导电层8和扇形下导电层9，所述下PCB印刷电路板3具有接地金属区101和输出端区11；

所述四条金属螺旋臂7中第一、第二金属螺旋臂71、72各自的金属调节区通过焊接电连接到上PCB印刷电路板的扇形上导电层，其余的第三、第四金属螺旋臂73、74与扇形下导电层9耦合；

所述PCB印刷连接板4的前侧面具有接地金属区102、位于PCB印刷连接板4上部的输入端区14，所述PCB印刷连接板4的后侧面具有金属连接条15；

所述扇形下导电层9电连接到PCB印刷连接板4的接地金属区102，所述扇形上导电层8通过导线柱电连接到PCB印刷连接板4的输入端区，14所述金属连接条15两端均通过导线柱分别电连接到输入端区14和输出端区11；位于下PCB印刷电路板3的接地金属区101与巴伦线6电连接。

上述金属螺旋臂7材质为铜，上述金属螺旋臂7长度为介质中波长的二分之一。

上述巴伦线6的高度与陶瓷柱体1底面半径之和为工作波长的四分之一。

上述接地金属区101与巴伦线6通过金属件电连接。

本发明新型馈电结构的四臂螺旋天线，其四臂螺旋天线主体通过LDS工艺镭射在陶瓷圆柱上，然后采用50欧姆带状线转共面波导的馈线结构通过顶部的PCB对四臂螺旋天线进行耦合馈电，PCB直径小于柱体直径，PCB馈线结构的接地板与圆形PCB底部的图形相连，中心的导体带通过顶部PCB的图形与天线部分进行耦合，同时作为等效电阻电容完成天线的匹配，四条臂末端通过巴伦与带状线的接地板相连，输出端通过转接共面波导结构与SMA接头相连。

实施例2：一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，包括轴心处具有通孔5的陶瓷柱体1、上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3和PCB印刷连接板4，所述上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3分别位于通孔5上开口内和下部，所述PCB印刷连接板4在陶瓷柱体1的通孔5内并位于上PCB印刷电路板2、下PCB印刷电路板3之间；

所述陶瓷柱体1外侧面的下部沿周向具有巴伦线6，所述陶瓷柱体1外侧面上间隔地缠绕有四条金属螺旋臂7，此四条金属螺旋臂7上端延伸至陶瓷柱体1上端面并在陶瓷柱体1上端面相应地形成金属调节区12，此金属螺旋臂7下端连接到所述巴伦线6，四个所述金属调节区12中央均开有一缝隙13；

所述上PCB印刷电路板2的上表面和下表面分别印刷有扇形上导电层8和扇形下导电层9，所述下PCB印刷电路板3具有接地金属区101和输出端区11；

所述四条金属螺旋臂7中第一、第二金属螺旋臂71、72各自的金属调节区通过焊接电连接到上PCB印刷电路板的扇形上导电层，其余的第三、第四金属螺旋臂73、74与扇形下导电层9耦合；

所述PCB印刷连接板4的前侧面具有接地金属区102、位于PCB印刷连接板4上部的输入端区14，所述PCB印刷连接板4的后侧面具有金属连接条15；

所述扇形下导电层9电连接到PCB印刷连接板4的接地金属区102，所述扇形上导电层8通过导线柱电连接到PCB印刷连接板4的输入端区，14所述金属连接条15两端均通过导线柱分别电连接到输入端区14和输出端区11；位于下PCB印刷电路板3的接地金属区101与巴伦线6电连接。

上述扇形上导电层8位于上PCB印刷电路板2的中央具有一突起部16，所述扇形下导电层9位于上PCB印刷电路板2的中央具有一弧形凹陷部17，在竖直方向上扇形上导电层8的突起部16位于扇形下导电层9的弧形凹陷部17内。

上述金属螺旋臂7材质为金，上述金属螺旋臂7长度为介质中波长的二分之一。

上述巴伦线6的高度与陶瓷柱体1底面半径之和为工作波长的四分之一。

上述接地金属区101与巴伦线6通过点焊电连接。

从附图6~13中可知，本发明新型馈电结构的四臂螺旋天线，其回波损耗小于-25dB，顶点增益大于-2dB，插入损耗大于-0.1dB，轴比小于0.7，左右极化隔离度大于34dB，天线的波束宽度都超过130°，可以接收接近地平线的卫星信号，定位精度更高上部半球面效率大于50%，全球面效率大于20%。

采用上述新型馈电结构的四臂螺旋天线时，其采用了顶部PCB形式，可以通过改变图形形状实现与四臂螺旋天线的耦合馈电，本发明耦合馈电结作为等效平板电容放在天线顶部，实现向50欧姆标准输出阻抗的匹配，有效减小了天线的整体尺寸。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：包括轴心处具有通孔（5）的陶瓷柱体（1）、上PCB印刷电路板（2）、下PCB印刷电路板（3）和PCB印刷连接板（4），所述上PCB印刷电路板（2）、下PCB印刷电路板（3）分别位于通孔（5）上开口内和下部，所述PCB印刷连接板（4）在陶瓷柱体（1）的通孔（5）内并位于上PCB印刷电路板（2）、下PCB印刷电路板（3）之间；

所述陶瓷柱体（1）外侧面的下部沿周向具有巴伦线（6），所述陶瓷柱体（1）外侧面上间隔地缠绕有四条金属螺旋臂（7），此四条金属螺旋臂（7）上端延伸至陶瓷柱体（1）上端面并在陶瓷柱体（1）上端面相应地形成金属调节区（12），此金属螺旋臂（7）下端连接到所述巴伦线（6），四个所述金属调节区（12）中央均开有一缝隙（13）；

所述上PCB印刷电路板（2）的上表面和下表面分别印刷有扇形上导电层（8）和扇形下导电层（9），所述下PCB印刷电路板（3）具有接地金属区（101）和输出端区（11）；

所述四条金属螺旋臂（7）中第一、第二金属螺旋臂（71、72）各自的金属调节区通过焊接电连接到上PCB印刷电路板的扇形上导电层，其余的第三、第四金属螺旋臂（73、74）与扇形下导电层（9）耦合；

所述PCB印刷连接板（4）的前侧面具有接地金属区（102）、位于PCB印刷连接板（4）上部的输入端区（14），所述PCB印刷连接板（4）的后侧面具有金属连接条（15）；

所述扇形下导电层（9）电连接到PCB印刷连接板（4）的接地金属区（102），所述扇形上导电层（8）通过导线柱电连接到PCB印刷连接板（4）的输入端区，（14）所述金属连接条（15）两端均通过导线柱分别电连接到输入端区（14）和输出端区（11）；位于下PCB印刷电路板（3）的接地金属区（101）与巴伦线（6）电连接。

2.根据权利要求1所述的新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：所述扇形上导电层（8）位于上PCB印刷电路板（2）的中央具有一突起部（16），所述扇形下导电层（9）位于上PCB印刷电路板（2）的中央具有一弧形凹陷部（17），在竖直方向上扇形上导电层（8）的突起部（16）位于扇形下导电层（9）的弧形凹陷部（17）内。

3.根据权利要求1或者2所述的新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：所述金属螺旋臂（7）材质为铜、镍和金中的至少一种。

4.根据权利要求1或者2所述的新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：所述金属螺旋臂（7）长度为介质中波长的二分之一。

5.根据权利要求1或者2所述的新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：所述巴伦线（6）的高度与陶瓷柱体（1）底面半径之和为工作波长的四分之一。

6.根据权利要求1或者2所述的新型馈电结构的四臂螺旋天线，其特征在于：所述接地金属区（101）与巴伦线（6）通过金属件或点焊电连接。