CN105576353B - 一种螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线领域，公开了一种螺旋天线，用以解决现有技术中螺旋天线尺寸较大，不能满足天线小型化要求的问题。本发明的螺旋天线包括：印刷电路PCB板，固定在所述PCB板上的至少一个介质圆柱，围绕在所述介质圆柱侧表面的柔性薄介质基板，以及固定在所述柔性薄介质基板上的至少一个金属臂；所述至少一个金属臂包括一个主金属片和一个副金属片，所述主金属片的一端连接所述PCB板的信号线，另一端向所述金属臂绕所述介质圆柱螺旋的方向弯折成不封口的形状；所述副金属片的一端接地，另一端连接所述主金属片。

Description

一种螺旋天线

技术领域

本发明涉及卫星导航设备技术领域，尤其涉及一种螺旋天线。

背景技术

卫星导航系统发展迅速，广泛应用于导航、通信、测绘、授时、检测等多种领域，在日常生活和经济建设中发挥着重要作用。卫星导航天线作为卫星导航系统终端设备的重要组成部分，其性能的优劣会直接影响系统的性能，因此对导航天线的研究具有重要意义。

当前大量商用的天线主要有两大类，即陶瓷贴片天线与螺旋天线。前者的主要优点是尺寸小、造价低、易集成，主要缺点是轴比带宽较窄，天线低仰角特性欠佳。

螺旋天线包括以螺纹形式缠绕的一个或多个伸长的导电元件，以形成螺旋，如图1所示，该几何螺旋结构包括围绕直径为D的介质柱体、螺旋角为P长度为L的的导电元件。螺旋角被定义为与螺旋导体相切的线和垂直于螺旋轴的平面形成的角度。天线的特性由介质柱体、导电元件、螺旋几何属性等确定。螺旋天线在轴比带宽及低仰角特性方面优于陶瓷贴片天线，但其主要缺点是尺寸较大、造价较高，在某些几何尺寸较小的移动终端上难以应用，限制了螺旋天线的应用范围。

发明内容

本发明实施例提供一种螺旋天线，用以解决现有技术中螺旋天线尺寸较大，不能满足天线小型化要求的问题。

本发明实施例提供的螺旋天线包括：印刷电路PCB板，固定在所述PCB板上的至少一个介质圆柱，围绕在所述介质圆柱侧表面的柔性薄介质基板，以及固定在所述柔性薄介质基板上的至少一个金属臂；

所述至少一个金属臂包括一个主金属片和一个副金属片，所述主金属片的一端连接所述PCB板的信号线，另一端向所述金属臂绕所述介质圆柱螺旋的方向弯折成不封口的形状；所述副金属片的一端接地，另一端连接所述主金属片。

可选的，所述主金属片的另一端弯折的形状为螺旋状。

可选的，所述主金属片的另一端弯折的形状的的宽度为3～4mm。

可选的，所述主金属片的总长度为所述天线的谐振中心频段对应波长的1/4。

可选的，所述天线为四臂螺旋天线，所述至少一个金属臂为4个金属臂。

可选的，相邻金属臂之间的间距相等，且大于所述天线的波导波长的1/5。

可选的，所述至少一个介质圆柱为并排固定在所述PCB板上的第一介质圆柱、第二介质圆柱和第三介质圆柱，所述第二介质圆柱位于所述第一介质圆柱与所述第三介质圆柱之间，所述第一介质圆柱的介电常数为70，所述第二介质圆柱的介电常数为25，所述第三介质圆柱的介电常数50。

可选的，所述第一介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，所述第二介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，所述第三介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为右手关系。

可选的，所述第一介质圆柱与所述第二介质圆柱之间的距离、所述第二介质圆柱与所述第三介质圆柱之间的距离均大于5mm。

本发明实施例中，螺旋天线包括至少一个金属臂，金属臂包括一个主金属片和一个副金属片。主金属片的一端连接PCB板的信号线，将接收到的信号通过PCB板传送给其它装置进行处理，另一端向金属臂绕介质圆柱螺旋的方向弯折成不封口的形状，用于接收或发送信号。现有技术中，主金属片的一段连接PCB板的信号线，另一端绕介质圆柱螺旋向上延伸。本发明实施例中，将直接向上延伸的金属臂一端向下弯折，减小了金属臂在介质圆柱表面向上和/或沿螺旋方向延伸的距离，从而减小了介质圆柱的高度和直径，相较于现有技术中的螺旋天线，缩小了天线的体积，扩大了螺旋天线的应用范围，更适应于目前对天线小型化的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中螺旋天线的结构示意图；

图2为本发明实施例中螺旋天线的结构示意图；

图3为本发明实施例中螺旋天线的一个金属臂的示意图；

图4为本发明实施例中四臂螺旋天线的柔性薄介质基板展开示意图；

图5为本发明实施例中另一种螺旋天线的一个金属臂的示意图；

图6为本发明实施例中组合螺旋天线的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例提供了一种螺旋天线，可以应用于GPS(全球定位系统，GlobalPositioning System)、GLONASS(全球卫星导航系统，Global Navigation SatelliteSystem)、GALILEO(伽利略卫星导航系统，Galileo satellite navigation system)和BDS(北斗卫星导航系统，BeiDou Navigation Satellite)等卫星导航定位系统的各类手持机、基站、车载、机载等终端设备应用平台。

图2示出了一个螺旋天线，如图2所示，包括：印刷电路PCB板1，固定在PCB板1上的至少一个介质圆柱2，围绕在介质圆柱2侧表面的柔性薄介质基板3，以及固定在柔性薄介质基板3上的至少一个金属臂4。其中，金属臂4绕介质圆柱2螺旋向上，以接收圆极化电磁波。

所述至少一个金属臂4包括一个主金属片41和一个副金属片42，如图3所示。所述主金属片41的一端连接所述PCB板1的信号线，为馈电端口，用于将接收到的信号通过PCB板1传送到设备中进一步处理，或接收设备中传来的信号。另一端向所述金属臂4绕所述介质圆柱2螺旋的方向弯折成不封口的形状，用于辐射或接收电磁波。本发明实施例中，将直接向上延伸的主金属片41的一端向下弯折，减小了金属臂4在介质圆柱2表面向上和/或沿螺旋方向延伸的距离，从而减小了介质圆柱2的高度和直径，相较于现有技术中的螺旋天线，缩小了天线的体积，扩大了螺旋天线的应用范围，更适应于目前对天线小型化的要求。此外，将主金属臂向上的一端进行弯折，可以增加低仰角的增益，进而增加了天线能接收到信号的卫星个数，提高天线的可靠性。副金属片42的一端接地，另一端连接所述主金属片，可提高天线的辐射阻抗，有利于提高天线辐射或接收电磁波的功率。

较佳地，本发明实施例中的天线为四臂螺旋天线，四臂螺旋天线的金属臂为4个金属臂。如图4所示，将柔性薄介质基板展开，4个金属臂形状大小一致，间距相等，且向同一方向倾斜，如此，将柔性薄介质基板围绕在介质圆柱的侧表面上时，金属臂绕介质圆柱向上螺旋。4个金属臂的螺旋角为60°左右，具体可为62°。4个金属臂通过同轴线对4个金属臂馈电，使得4个金属臂馈电端的电流相等，并在馈电端引入相移，使得相邻的金属臂有90°相位差的等幅信号，便能产生心形辐射方向图。四臂螺旋天线在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求。

本发明实施例中主金属片的另一端可弯折成多种形状，可弯折成矩形，也可弯折成圆弧状。需要说明的是，本发明实施例不限主金属片另一端弯折的形状，以上仅为示例。

主金属片的另一端弯折边的长度可根据需要调整，向上和横向的金属片长度需尽量长，弯折向下的金属片长度需尽量短。因为，向下的金属片中电流会抵消一部分向上的金属片中电流，进一步会影响接发信号的强度。因此，较佳地，本发明实施例中主金属片的另一端弯折的形状为螺旋状，如图5所示。

较佳地，相邻金属臂之间的间距相等，且大于所述天线的波导波长的1/5。其中，波导波长满足以下公式：

其中，α为波导波长，β为天线谐振中心频段对应的波长，η为介质圆柱的介电常数。本发明实施例中，相邻金属臂之间的间距可为2～3毫米。

为了保证相邻金属臂之间留有足够的间距，且保证天线的体积较小，本发明实施例中，主金属片的另一端弯折的形状的的宽度为3～4mm。

为了接收到理想的信号频率，主金属片的总长度为所述天线的谐振中心频段对应波长的1/4。

通信和导航天线通常要求双频或多频工作，而普通的四臂螺旋天线是谐振天线，带宽较窄，只能工作在一个频段，因此其应用范围较为受限。

为了增加四臂螺旋天线的工作范围，且又需满足天线的小型化要求，可将三个介质圆柱并排焊接在一个PCB板上作为组合螺旋天线。本发明实施例中，如图6所示，所述至少一个介质圆柱为并排固定在所述PCB板上的第一介质圆柱21、第二介质圆柱22和第三介质圆柱23，所述第二介质圆柱22位于所述第一介质圆柱21与所述第三介质圆柱23之间，所述第一介质圆柱21的介电常数为70，所述第二介质圆柱22的介电常数为25，所述第三介质圆柱23的介电常数50。

天线工作的频段可由介质圆柱的介电常数等因素决定，第一介质圆柱工作在B3频段，第二介质圆柱工作在S频段，第三介质圆柱工作在L频段。因此，该组合螺旋天线能同时工作在B3、L和S三个频段。B3频段为1268MHz，L频段为1616MHz，S为2492MHz，由于B3频段和L频段非常接近，信号之间容易相互干扰，因此，将工作在S频段的第二介质圆柱设置在工作在B3频段的第一介质圆柱与工作在L频段的第三介质圆柱之间，减少信号间的干扰。进一步地，所述第一介质圆柱与所述第二介质圆柱之间的距离、所述第二介质圆柱与所述第三介质圆柱之间的距离均大于5mm。

圆极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹在其传播方向看是一个圆。当瞬时电场矢量的旋向与电磁波的传播方向形成左手关系时，则称之为左旋圆极化波，当瞬时电场矢量的旋向与电磁波的传播方向形成右手关系时，则称之为右旋圆极化波。天线若辐射左旋圆极化波，则该天线只能接受左旋圆极化波而不能接受右旋圆极化波；相反地，若天线辐射右旋圆极化波，则只能接受右旋圆极化波。这即为发射和接收天线之间的互易定理。本发明实施例中，所述第一介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，如图6中左边的四臂螺旋天线所示；所述第二介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，如图6的中间的四臂螺旋天线所示；所述第三介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为右手关系，如图6中右边的四臂螺旋天线所示。其中，第一介质圆柱和第二介质圆柱对应的四臂螺旋天线接收右旋圆极化电磁波，第三介质圆柱对应的四臂螺旋天线可发射左旋圆极化电磁波。

需要说明的是，本申请实施例中，“上”“下”对应图片的上方和下方，即“上表面”是指在图片中装置上方对应的面，“下表面”是指图片中装置下方对应的面，本申请实施例仅是示例作用。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种螺旋天线，其特征在于，包括：印刷电路PCB板，固定在所述PCB板上的至少一个介质圆柱，围绕在所述介质圆柱侧表面的柔性薄介质基板，以及固定在所述柔性薄介质基板上的至少一个金属臂；

所述至少一个金属臂包括一个主金属片和一个副金属片，所述主金属片的一端连接所述PCB板的信号线，另一端向所述金属臂绕所述介质圆柱螺旋的方向弯折成不封口的形状；所述副金属片的一端接地，另一端连接所述主金属片；

所述至少一个介质圆柱为并排固定在所述PCB板上的第一介质圆柱、第二介质圆柱和第三介质圆柱，所述第二介质圆柱位于所述第一介质圆柱与所述第三介质圆柱之间，所述第一介质圆柱的介电常数为70，所述第二介质圆柱的介电常数为25，所述第三介质圆柱的介电常数50。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述主金属片的另一端弯折的形状为螺旋状。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述主金属片的另一端弯折的形状的的宽度为3～4mm。

4.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述主金属片的总长度为所述天线的谐振中心频段对应波长的1/4。

5.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线为四臂螺旋天线，所述至少一个金属臂为4个金属臂。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，相邻金属臂之间的间距相等，且大于所述天线的波导波长的1/5。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，所述第二介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为左手关系，所述第三介质圆柱的金属臂的绕向与天线的最大辐射方向为右手关系。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一介质圆柱与所述第二介质圆柱之间的距离、所述第二介质圆柱与所述第三介质圆柱之间的距离均大于5mm。