CN107171059A - 具有圆极化特性的四臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有圆极化特性的四臂螺旋天线，包括PCB板、圆筒状介质体和设置在PCB板下表面的天线金属地，圆筒状介质体的侧壁螺旋式环绕印制四个单极子辐射臂，每一个单极子辐射臂的末端设置金属铜柱，圆筒状介质体的底部通过四个金属铜柱固定在PCB板上，每一个单极子辐射臂包括第一耦合线、第二耦合线、第一微带线和第二微带线。第一耦合线的连接端连接第一微带线的一端，第一微带线的另一端连接一个金属铜柱；第二耦合线的连接端连接第二微带线的一端，第二微带线的另一端连接第一微带线与第一耦合线的连接处，四个金属铜柱等距离对称设置在圆筒状介质体的底部圆周上。本发明所述天线具有良好的方向图特性和圆极化特性。

Description

具有圆极化特性的四臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种具有圆极化特性的四臂螺旋天线。
背景技术
未来的卫星导航系统间将会实现兼容运行，实现一定程度的资源共享，并且建立起联合导航体系，进一步提高导航精度。相较于单一的卫星导航系统，同一地区空间内的可见卫星数量增多，所以集成多个卫星导航系统的多系统兼容导航系统可以使定位精度、可靠性、安全性、连续性、效率大幅提高，这使得多系统兼容导航成为未来卫星导航发展的趋势。
天线系统作为卫星系统组成中非常重要的一部分，可以实现卫星与地面之间的相互通信，以及地面对卫星的遥控和遥测指令的发送等，因此，天线系统的稳定性及可靠性很大程度上决定了卫星是否能成功执行预定的任务，可以看出天线性能的优劣对导航系统的性能有着巨大的影响。所以卫星天线的设计也成为一个至关重要的研究课题。四臂螺旋天线较于微带天线虽具有体积大的不利因素，但它具有良好的方向图特性、优良的广角圆极化特性。所以，四臂螺旋天线的研究日益受到关注，特别是应用于多系统兼容卫星导航中的四臂螺旋天线极受热捧。
发明内容
本发明的主要目的提供一种具有圆极化特性的四臂螺旋天线，旨在解决现有的四臂螺旋天线的圆极化特性不佳的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种具有圆极化特性的四臂螺旋天线，包括PCB板、圆筒状介质体和天线金属地，所述天线金属地设置在PCB板的下表面，所述圆筒状介质体的侧壁外表面螺旋式环绕印制有四个单极子辐射臂，每一个单极子辐射臂的末端设置有一个金属铜柱，所述圆筒状介质体的底部通过四个金属铜柱固定在PCB板上，每一个单极子辐射臂包括第一耦合线、第二耦合线、第一微带线和第二微带线，其中：
所述第一耦合线的连接端连接至第一微带线的一端使第一耦合线与第一微带线形成L形或准L形的形状，所述第一微带线的另一端连接一个所述金属铜柱；
所述第二耦合线的连接端连接至第二微带线的一端使第二耦合线与第二微带线形成L形或准L形的形状，所述第二微带线的另一端连接至第一微带线与第一耦合线的连接处；
所述四个金属铜柱等距离对称设置在圆筒状介质体的底部圆周上，四个金属铜柱作为具有圆极化特性的四臂螺旋天线的四个输入端口，每个输入端口输入的信号幅度相同且相位依次相差90度。
优选的，所述第一耦合线的长度为La＝147.8mm，第一耦合线的自由端的宽度Wa＝15mm，第一耦合线的连接端的宽度等于第一微带线的宽度，均为Wc＝10mm。
优选的，所述第二耦合线的长度为Lb＝101mm，第二耦合线的自由端的宽度Wb＝15mm，第二耦合线的连接端的宽度等于第二微带线的宽度，均为Wd＝5mm。
优选的，所述第一微带线的长度为Lc＝23mm，第一微带线的宽度为Wc＝10mm，第二微带线的长度为Ld＝27.5mm，第二微带线的宽度为Wd＝5mm。
优选的，所述构成第一耦合线、第二耦合线、第一微带线和第二微带线的金属铜片的厚度均为35um。
优选的，所述圆筒状介质体的圆筒半径为7～10cm。
优选的，所述圆筒状介质体的圆筒内填充有塑料泡沫。
优选的，所述天线金属地为设置在PCB板下表面的敷铜金属片。
优选的，所述PCB板在连接四个金属铜柱的位置处腐蚀有四个圆孔用以馈电，四个金属铜柱通过四个圆孔从PCB板的上表面穿透至PCB板的下表面并没有与所述天线金属地接触。
优选的，所述PCB板的相对介电常数，板厚为0.762mm，所述圆筒状介质体采用板材类型为FR4型的介质板制成，相对介电常数2.2，厚度为0.2mm。
相较于现有技术，本发明所述具有圆极化特性的四臂螺旋天线采用圆筒状介质体的侧壁表面设置四个单极子辐射臂，四个金属铜柱等距离对称设置在圆筒状介质体的底部圆周上，四个金属铜柱作为具有圆极化特性的四臂螺旋天线的四个输入端口，每个输入端口输入的信号幅度相同且相位依次相差90度，具有良好的天线方向图特性和圆极化特性，可以有效对抗信号多径衰弱效应。
附图说明
图1是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线优选实施例的立体结构示意图；
图2是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线中一个单极子辐射臂的平面结构示意图；
图3是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线中一个单极子辐射臂的平面尺寸示意图；
图4是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线的辐射臂的臂长变化时对应的反射系数第一示意图；
图5是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线的辐射臂的臂长变化时对应的反射系数第二示意图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线优选实施例的立体结构示意图。在本实施例中，所述四臂螺旋天线包括PCB板1、天线金属地10和圆筒状介质体20，所述天线金属地设置在PCB板1的下表面，所述圆筒状介质体20的侧壁外表面设置有四个单极子辐射臂30(图1中仅示出圆筒状介质体20前面两个单极子辐射臂30，后面两个未能示出)。每一个单极子辐射臂30的末端设置有一个金属铜柱40，所述圆筒状介质体20的底部通过四个金属铜柱40固定在PCB板1上。在本实施例中，四个金属铜柱40等距离对称设置在圆筒状介质体20的底部圆周上并固定在PCB板1上。所述天线金属地10为设置在PCB板1下表面的敷铜金属片，PCB板1在连接四个金属铜柱40的位置处腐蚀有四个圆孔41用以馈电，圆孔41的半径大于金属铜柱40的半径，四个金属铜柱40通过四个圆孔41从PCB板1的上表面穿透至PCB板1的下表面，并没有与所述天线金属地10接触。
在本实施例中，PCB板1采用具体的板材类型为RO4350B，其中相对介电常数3.48，板厚为0.762mm。所述圆筒状介质体20由柔软轻薄的介质板制成，具体的板材类型为FR4型的介质板，其中相对介电常数2.2，厚度为0.2mm，将介质板弯曲成中空的圆筒状介质体20，所述四个单极子辐射臂30螺旋式环绕印制在圆筒状介质体20的侧壁外表面上。所述圆筒状介质体20的圆筒半径优选为7～10cm，该圆筒状介质体20内填充有塑料泡沫，用来固定和支撑天线，并能改善天线增益。四个金属铜柱40作为四臂螺旋天线的四个输入端口，四个金属铜柱40等距离对称设置在圆筒状介质体20的底部圆周上，每个端口输入的信号幅度相同且相位依次相差90度，所以具有良好的天线方向图特性和圆极化特性，可以有效对抗信号多径衰弱效应。
参照图2所示，图2是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线中一个单极子辐射臂的平面结构示意图。在本实施例中，每一个单极子辐射臂30包括第一耦合线31、第二耦合线32、第一微带线33和第二微带线34。其中，第一耦合线31的连接端连接至第一微带线33的一端使第一耦合线31与第一微带线33形成L形或准L形的形状，第二耦合线32的连接端连接至第二微带线34的一端使第二耦合线32与第二微带线34形成L形或准L形的形状，第二微带线34的另一端连接至第一微带线33与第一耦合线31的连接处。本实施例中定义的准L形为整体上近似于L形，例如，第一耦合线31与第一微带线33形成准L形形状时，两者之间的夹角略大于90度；第二耦合线32与第二微带线34形成准L形形状时，两者之间的夹角略大于90度。
所述第一耦合线31和第二耦合线32均为宽度渐变式长条状结构的金属铜片。本发明定义第一耦合线31的宽度渐变式长条状结构是指第一耦合线31的宽度沿着第一耦合线31的自由端到第一耦合线31的连接端逐渐变窄的形状结构，第二耦合线32的宽度渐变式长条状结构是指第二耦合线32的宽度沿着第二耦合线32的自由端到第二耦合线32的连接端的的形状结构。在本实施例中，第一耦合线31的连接端是指连接到第一微带线33的一端，第一耦合线31的自由端是指未连接到第一微带线33的一端；第二耦合线32的连接端是指连接到第二微带线34的一端，第二耦合线32的自由端是指未连接到第二微带线34的一端。
参照图3所示，图3是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线中一个单极子辐射臂的平面结构示意图。本发明以工作GPS卫星导航系统的工作频段和北斗二号卫星导航系统的工作频段的四臂螺旋天线为例，通过具体的实施例来说明第一耦合线31、第二耦合线32、第一微带线33和第二微带线34的长度和宽度。
在本实施例中，所述第一耦合线31和第二耦合线32为宽度渐变式长条状结构的金属铜片，构成第一耦合线31和第二耦合线32的金属铜片的厚度均为35um。其中，第一耦合线31的长度为La＝147.8mm，第一耦合线31的自由端的宽度Wa＝15mm，第一耦合线31的连接端的宽度等于第一微带线33的宽度，均为Wc＝10mm；第二耦合线32的长度为Lb＝101mm，第二耦合线32的自由端的宽度Wb＝15mm，第二耦合线32的连接端的宽度等于第二微带线34的宽度，均为Wd＝5mm。
在本实施例中，第一微带线33和第二微带线34为矩形结构的金属铜片，构成第一微带线33和第二微带线34的金属铜片的厚度均为35um。其中，第一微带线33的长度为Lc＝23mm，第一微带线33的宽度为Wc＝10mm；第二微带线33的长度为Ld＝27.5mm，第二微带线34的宽度为Wd＝5mm。
参照图4所示，图4是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线的单极子辐射臂的臂长变化时对应的反射系数第一示意图。如图4所示，当固定第二耦合线32的长度Lb＝101mm时，第一耦合线31的长度La分别等于147.8mm、158.7mm和169.6mm时，图4反应了单极子辐射臂30的第一耦合线31的长度发生变化时所对应的反射系数的变化。同时从图4中可以看出，当第一耦合线31的长度La变大时，高频谐振点几乎没有变化，低频谐振点向低频移动，即从1.19GHz移动到1.09GHz。
参照图5所示，图5是本发明具有圆极化特性的四臂螺旋天线的单极子辐射臂的臂长变化时对应的反射系数第二示意图。如图5所示，当固定第一耦合线31的长度La＝147.8mm时，第二耦合线32的长度Lb分别等于101mm、98.8mm和92.5mm时，图5反应了单极子辐射臂30的第二耦合线32的长度发生变化时所对应的反射系数的变化。同时从图5中可以看出，当第二耦合线32的长度Lb变小时，低频谐振点几乎没有变化，高频谐振点向高频移动，即从1.58GHz移动到1.69GHz。
根据图4和图5可知，设计者可以通过改变构成每一个单极子辐射臂30的两根耦合线的长度La和Lb设计，就可以使天线同时工作在两个不同的工作频率上，可以广泛应用于卫星导航系统中。
本发明所述四臂螺旋天线通过采用圆筒状介质体20的侧表面设置四个单极子辐射臂30，采用两根不等长的耦合线作为单极子辐射臂30，四个金属铜柱40等距离对称设置在圆筒状介质体的底部圆周上，四个金属铜柱40作为四臂螺旋天线的四个输入端口，每个输入端口输入的信号幅度相同且相位依次相差90度，不仅使天线具有良好的方向图特性和圆极化特性，可以有效对抗信号多径衰弱效应，而且具有很好的天线增益。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有圆极化特性的四臂螺旋天线，包括PCB板、圆筒状介质体和天线金属地，所述天线金属地设置在PCB板的下表面，其特征在于，所述圆筒状介质体的侧壁外表面螺旋式环绕印制有四个单极子辐射臂，每一个单极子辐射臂的末端设置有一个金属铜柱，所述圆筒状介质体的底部通过四个金属铜柱固定在PCB板上，每一个单极子辐射臂包括第一耦合线、第二耦合线、第一微带线和第二微带线，其中：
所述第一耦合线的连接端连接至第一微带线的一端使第一耦合线与第一微带线形成L形或准L形的形状，所述第一微带线的另一端连接一个所述金属铜柱；
所述第二耦合线的连接端连接至第二微带线的一端使第二耦合线与第二微带线形成L形或准L形的形状，所述第二微带线的另一端连接至第一微带线与第一耦合线的连接处；
所述四个金属铜柱等距离对称设置在圆筒状介质体的底部圆周上，四个金属铜柱作为所述具有圆极化特性的四臂螺旋天线的四个输入端口，每个输入端口输入的信号幅度相同且相位依次相差90度。
2.如权利要求1所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一耦合线的长度为La＝147.8mm，第一耦合线的自由端的宽度Wa＝15mm，第一耦合线的连接端的宽度等于第一微带线的宽度，均为Wc＝10mm。
3.如权利要求2所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述第二耦合线的长度为Lb＝101mm，第二耦合线的自由端的宽度Wb＝15mm，第二耦合线的连接端的宽度等于第二微带线的宽度，均为Wd＝5mm。
4.如权利要求3所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一微带线的长度为Lc＝23mm，第一微带线的宽度为Wc＝10mm，第二微带线的长度为Ld＝27.5mm，第二微带线的宽度为Wd＝5mm。
5.如权利要求1所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述构成第一耦合线、第二耦合线、第一微带线和第二微带线的金属铜片的厚度均为35um。
6.如权利要求1所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述圆筒状介质体的圆筒半径为7～10cm。
7.如权利要求1所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述圆筒状介质体的圆筒内填充有塑料泡沫。
8.如权利要求1所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述天线金属地为设置在PCB板下表面的敷铜金属片。
9.如权利要求1至8任一项所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述PCB板在连接四个金属铜柱的位置处腐蚀有四个圆孔用以馈电，四个金属铜柱通过四个圆孔从PCB板的上表面穿透至PCB板的下表面并没有与所述天线金属地接触。
10.如权利要求1至8任一项所述的具有圆极化特性的四臂螺旋天线，其特征在于，所述PCB板的相对介电常数，板厚为0.762mm，所述圆筒状介质体采用板材类型为FR4型的介质板制成，相对介电常数2.2，厚度为0.2mm。
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