CN107732432A - 一种四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四臂螺旋天线，其解决了现有移动实时定位系统天线测距定位精度低、灵活性差的技术问题。其设有柔性介质板、四臂螺旋天线阵和功分器馈电网络，柔性介质板为空心圆柱结构，柔性介质板外表面设有四臂螺旋天线阵，柔性介质板下方设有功分器馈电网络；四臂螺旋天线阵以中心对称的方式共形的位于柔性介质板外表面，功分器馈电网络垂直位于四臂螺旋天线阵正下方，四臂螺旋天线阵通过插入的方式与功分器馈电网络连接。本发明可以广泛应用于室内外定位与测距领域。

Description

一种四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种四臂螺旋天线阵，特别是涉及一种移动灵活性强的四臂螺旋天线阵。

背景技术

随着人们对信息服务质量要求越来越高，室内外定位技术活跃于行程导航、仓库、商场、货物流转等各个场合。而在新兴的室内外定位市场中，人们对出行的便捷性和安全性的需求日益增长。移动灵活性强的定位系统既满足了人们出行时对人或物品的实时定位与监护，同时也避免了由于繁忙或疏忽造成的人或物品丢失的现象。

常用的室内外定位技术有红外技术、超声波技术、蓝牙技术、射频识别技术、Zigbee定位技术等。但是，红外技术只能在可视情况下工作，只能用于简单轨迹的定位，并且布局复杂，受环境影响严重，因此不适用于活动范围比较灵活的产品定位。超声波定位测距精度很高，但是其在空气中衰减很大，不适用于大型场合。Zigbee技术需要在应用的场合提前进行布局，不适用于移动性非常灵活的室内定位系统。蓝牙定位技术精度低，定位误差在2米左右，不适用于精准定位。而UWB定位技术具有体积小、造价低、定位精度高、响应灵敏、非视性定位等优点，是移动灵活性强的实时定位系统的最优选择。

UWB定位技术通过标签天线和基站天线进行通信，基站天线安装在需要被定位的物品上，标签天线则作为移动便携式设备放置于人体上，由于安装环境、移动设备放置位置和移动的实际需求，要求定位天线必须具备以下特点：标签天线以xoz面、yoz面和xoy面进行放置时，其水平面方向图上增益均相同，这样可以根据经过不同路径到达基站的接收功率计算标签天线位置，精确定位。因此定位天线方向图增益对称性越好，定位系统的测量精度则越高。同时，由于标签天线携带在人体上，因此需要具有质量轻，体积小，便于携带等优点。

市场上的UWB定位系统天线普遍采用微带形式，此款天线体积小，质量轻，设计简单，但是通常具有较窄的带宽，增益和效率都比较低，而且其在该类定位系统中应用具有一个致命的缺陷，即方向图增益对称性性能不好，导致测距定位精度低，且易受到周围物体影响，携带很不方便，大大限制了标签天线应用的灵活性。

发明内容

本发明针对现有移动实时定位系统天线测距定位精度低、灵活性差的技术问题，提供了一种测距定位精度高、灵活性好的四臂螺旋天线。

为此，本发明设有柔性介质板、四臂螺旋天线阵和功分器馈电网络，柔性介质板为空心圆柱结构，柔性介质板外表面设有四臂螺旋天线阵，柔性介质板下方设有功分器馈电网络；四臂螺旋天线阵以中心对称的方式共形的位于柔性介质板外表面，功分器馈电网络垂直位于四臂螺旋天线阵正下方，四臂螺旋天线阵通过插入的方式与功分器馈电网络连接。

优选地，四臂螺旋天线阵设有四根螺旋臂，每根螺旋臂的底部均通过插入连接过孔，与功分器馈电网络的输出端口连接；每根螺旋臂终端开路，且其宽度由输入端至输出端逐渐变宽。

优选地，功分器馈电网络设有底板，底板下层设有功分器、移相器和馈电信号线；功分器设有第一二等分功分器、第二二等分功分器和第三二等分功分器，移相器设有四分之一波长移相器、二分之一波长移相器；四分之一波长移相器设有第一四分之一波长移相器、第二四分之一波长移相器；

馈电信号线的输入端连接有射频接头，馈电信号线的输出端与第二二等分功分器的输入端连接，第二二等分功分器的两个输出端分别连接有第一传输线、二分之一波长移相器，第一传输线的另一端与第一二等分功分器的输入端连接，二分之一波长移相器的另一端与第三二等分功分器的输入端连接；第一二等分功分器的两个输出端分别连接有第二传输线、第一四分之一波长移相器连接，第三二等分功分器的两个输出端分别连接有第三传输线、第二四分之一波长移相器；第一传输线、二分之一波长移相器、第二传输线、第一四分之一波长移相器、第三传输线和第二四分之一波长移相器的另一端均设有连接过孔，并通过连接过孔分别与四根螺旋臂连接。

优选地，第一二等分功分器、第二二等分功分器和第三二等分功分器的输出端均并联有电阻。

优选地，底板下层还设有馈电地，馈电地和馈电信号线位于功分器馈电网络的中心。

优选地，底板设有功分器馈电网络介质板、金属底板，金属底板位于功分器馈电网络介质板上层。

优选地，馈电地的数量为两个，每个馈电地上都设有两个接地过孔，接地过孔连接馈电地和金属底板。

优选地，金属底板上设有地板开槽缝隙，地板开槽缝隙有四个，其位置分别与四个螺旋臂相对应。

本发明的有益效果是，四臂螺旋天线阵以中心对称的方式共形的位于柔性介质板外表面，使得xoz面和yoz面方向图增益对称。功分器馈电网络垂直位于四臂螺旋天线阵正下方。每根螺旋臂终端开路，且其宽度由输入端至输出端逐渐变宽，可实现良好的匹配并增大带宽，增益和效率提高。每个功分器的输出端均并联有电阻，可实现良好的匹配和功分效果。功分器馈电网络通过第一二等分功分器、第二二等分功分器和第三二等分功分器，实现四个输出端口的等功率分配；采用四分之一波长移相器和二分之一波长移相器分别实现90°和180°相移，使四个输出端口在功率幅值相同的情况下，同时满足相位差依次相差90°。馈电地和馈电信号线位于功分器馈电网络的中心，并连接射频接头。功分器采用的四个输出端口相位依次相差90°和中心馈电形式，可以保证四臂螺旋天线阵方向图增益的对称性。金属底板同时作为功分器馈电网络和四臂螺旋天线阵的金属地，接地过孔连接金属底板与馈电地，实现了共地。金属底板上设有地板开槽缝隙，保证了四臂螺旋天线阵与功分器馈电网络连接时与金属底板隔离。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图一；

图2是本发明的立体结构示意图二；

图3是本发明的主视图；

图4是本发明的仰视图；

图5是本发明的俯视图。

图中符号说明：

1.螺旋臂；2.柔性介质板；3.功分器馈电网络介质板；4.金属底板；5.第一二等分功分器；6.第二二等分功分器；7.第三二等分功分器；8.第一四分之一波长移相器；9.第二四分之一波长移相器；10.二分之一波长移相器；11.电阻；12.馈电信号线；13.馈电地；14.连接过孔；15.接地过孔；16.地板开槽缝隙；17.第一传输线；18.第二传输线；19.第三传输线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

如图1-5所示，本发明的一种四臂螺旋天线阵，包括四臂螺旋天线阵、柔性介质板2、功分器馈电网络。四臂螺旋天线阵印刷于柔性介质板2外表面，柔性介质板2为空心圆柱结构，四臂螺旋天线阵、柔性介质板2下方设有功分器馈电网络。功分器馈电网络垂直位于四臂螺旋天线阵正下方，并通过连接过孔14与顶层的四臂螺旋天线阵进行连接。

柔性介质板2采用柔性介质材料，经过在平面柔性介质板2上印刷四臂螺旋天线阵后，将该平面柔性介质板2绕卷后，再进行边缘粘连成空心圆柱结构。使四臂螺旋天线阵形成以中心对称的方式共形的位于圆柱外表面，以获得xoz面和yoz面方向图对称的增益。

四臂螺旋天线阵是由四根螺旋臂1组成的，四根螺旋臂1是由四根长度相等的导体片绕制成。每根螺旋臂采用渐变宽度和终端开路的形式，该渐变宽度指由输入端至输出端即由输入端至输出端逐渐变宽，可实现良好的匹配并增大带宽。四根螺旋臂1等距对称排列且共形地分布在柔性介质板2外表面。每根螺旋臂1的底部均通过插入连接过孔14，与功分器馈电网络的输出端口连接。螺旋臂1采用沉金或其他抗氧化工艺，在不影响天线辐射性能的同时，降低了外界的氧化作用。

功分器馈电网络设有底板，底板底层设有功分器、移相器、馈电信号线12和馈电地13，馈电信号线12、馈电地13位于底板的中心，也是功分器馈电网络的中心，以连接射频接头。馈电地13数量有两个，每个馈电地13上都设有两个接地过孔15，接地过孔15向上贯穿底板。功分器馈电网络形状可根据实际安装环境需求进行灵活设定，不仅限于图示的正方形。

底板包括功分器馈电网络介质板3、金属底板4，金属底板4位于功分器馈电网络介质板3上层，金属底板4同时作为功分器馈电网络和四臂螺旋天线阵的金属地。

功分器、移相器位于功分器介质板3底层。金属底板4上设有地板开槽缝隙16，地板开槽缝隙16有四个，且其位置分别与四个螺旋臂相对应。保证了四臂螺旋天线阵与功分器馈电网络连接时与金属底板4隔离。接地过孔15连接金属底板4与馈电地13，以实现共地。

功分器为二等分功分器，且数量有三个，分别是第一二等分功分器5、第二二等分功分器6和第三二等分功分器7，移相器包括四分之一波长移相器、二分之一波长移相器10。四分之一波长移相器数量有两个，分别是第一四分之一波长移相器8、第二四分之一波长移相器9。

每个功分器均设有一个输入端、两个输出端，每个功分器的两个输出端都并联有100Ω的电阻11，可实现良好的匹配和功分效果。

馈电信号线12的输入端为功分器馈电网络的输入端口，位于功分器馈电网络几何中心，并连接射频接头。馈电信号线12的输出端与第二二等分功分器6的输入端连接，第二二等分功分器6的两个输出端分别连接有第一传输线17、二分之一波长移相器10，第一传输线的另一端与第一二等分功分器5的输入端连接，二分之一波长移相器10的另一端与第三二等分功分器7的输入端连接。第一二等分功分器5的两个输出端分别连接有第二传输线18、第一四分之一波长移相器8。第三二等分功分器7的两个输出端分别连接有第三传输线19、第二四分之一波长移相器9。第一传输线17、二分之一波长移相器10、第二传输线18、第一四分之一波长移相器8、第三传输线19和第二四分之一波长移相器9的另一端为输出端口，该输出端口设有连接过孔14，连接过孔14贯穿底板。四个输出端通过连接过孔14与四根螺旋臂连接。

功分器馈电网络通过第一二等分功分器5、第二二等分功分器6和第三二等分功分器7，实现四个输出端口的等功率分配；采用四分之一波长移相器和二分之一波长移相器10分别实现90°和180°相移，使四个输出端口在功率幅值相同的情况下，同时满足相位差依次相差90°，以保证四臂螺旋天线阵方向图增益的对称性。

本发明用于定位测距系统时，基站天线可以接收到作为标签天线的四臂螺旋天线阵辐射的电磁波，并将其转化为功率值，当标签天线与基站的距离或路径不同时，基站天线的接收功率也不同，因此可以根据接收功率值的大小来计算标签天线的位置。因为本发明四臂螺旋天线阵方向图增益对称性好，因此在同一平面上距离相同时，基站天线接收到的功率值基本一致，可以达到较高的测量定位精度。此外，该四臂螺旋天线阵同时具有质量轻，体积小，成本低，便于携带等优点。

本发明具有超宽带，高增益，质量轻，体积小，加工成本低等优点，方向图具有优良的增益对称性。在标签天线以不同角度进行放置时，均能得到较高的距离测量精度，增大了天线作为便携式移动定位设备应用的便利性与灵活性，能很好的对室内外的移动设备进行定位。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (8)

1.一种四臂螺旋天线，设有柔性介质板、四臂螺旋天线阵和功分器馈电网络，所述柔性介质板为空心圆柱结构，所述柔性介质板外表面设有四臂螺旋天线阵，所述柔性介质板下方设有功分器馈电网络；其特征是，所述四臂螺旋天线阵以中心对称的方式共形的位于所述柔性介质板外表面，所述功分器馈电网络垂直位于所述四臂螺旋天线阵正下方，所述四臂螺旋天线阵通过插入的方式与所述功分器馈电网络连接。

2.根据权利要求1所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述四臂螺旋天线阵设有四根螺旋臂，每根所述螺旋臂的底部均通过插入连接过孔，与所述功分器馈电网络的输出端口连接；每根所述螺旋臂终端开路，且其宽度由输入端至输出端逐渐变宽。

3.根据权利要求2所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述功分器馈电网络设有底板，所述底板下层设有功分器、移相器和馈电信号线；所述功分器设有第一二等分功分器、第二二等分功分器和第三二等分功分器，所述移相器设有四分之一波长移相器、二分之一波长移相器；所述四分之一波长移相器设有第一四分之一波长移相器、第二四分之一波长移相器；

所述馈电信号线的输入端连接有射频接头，所述馈电信号线的输出端与所述第二二等分功分器的输入端连接，所述第二二等分功分器的两个输出端分别连接有第一传输线、二分之一波长移相器，所述第一传输线的另一端与所述第一二等分功分器的输入端连接，所述二分之一波长移相器的另一端与所述第三二等分功分器的输入端连接；所述第一二等分功分器的两个输出端分别连接有第二传输线、第一四分之一波长移相器连接，所述第三二等分功分器的两个输出端分别连接有第三传输线、第二四分之一波长移相器；所述第一传输线、二分之一波长移相器、第二传输线、第一四分之一波长移相器、第三传输线和第二四分之一波长移相器的另一端均设有连接过孔，并通过所述连接过孔分别与四根所述螺旋臂连接。

4.根据权利要求3所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一二等分功分器、第二二等分功分器和第三二等分功分器的输出端均并联有电阻。

5.根据权利要求3或4所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述底板下层还设有馈电地，所述馈电地和所述馈电信号线位于所述功分器馈电网络的中心。

6.根据权利要求5所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述底板设有功分器馈电网络介质板、金属底板，所述金属底板位于所述功分器馈电网络介质板上层。

7.根据权利要求6所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述馈电地的数量为两个，每个所述馈电地上都设有两个接地过孔，所述接地过孔连接所述馈电地和金属底板。

8.根据权利要求7所述的四臂螺旋天线，其特征在于，所述金属底板上设有地板开槽缝隙，所述地板开槽缝隙有四个，其位置分别与四个所述螺旋臂相对应。