CN107834172B - 一种新型四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

一种新型四臂螺旋天线，包括双频螺旋带(1)、巴伦结构(2)、螺旋支撑介质(3)、电缆(4)、幅相输出电路(5)，用于解决现有的卫通终端天线无法实现的在波束指向反向中保持天线极化不变，且可以实现对同一通信信号的持续接收和发射，能够适应卫通终端的人机结合环境的需要，解决了天线在卫通终端环境下没有宽波束切换能力的问题，同时还可以满足系统对天线多模工作能力的需要，可靠性高，适用范围广。

Description

一种新型四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及一种新型四臂螺旋天线，属于天线技术领域。

背景技术

随着天线技术、卫星地面应用的不断发展，对无线系统所能完成的功能要求越来越多，性能要求越来越苛刻，这就要求系统或设备中的天线具有能够实现多种功能的能力或能够根据不同应用实现对应的性能指标，仅仅通过增加天线数量来增加天线功能或性能已经无法满足集成度要求越来越高、功能越来越多样的卫星地面设备或移动终端，且系统对天线多模工作能力或的需要越发迫切，而发展多模式工作天线技术是增强天线能力、应对复杂电磁环境应用挑战的一种办法。

为了满足复杂多样的卫通终端的应用场景和通信姿态要求，常要求天线功能强大，应用模式灵活，需要天线具有通信波束切换能力，满足卫通终端对人机结合的需要。卫通终端的人机结合应用场景中卫通终端指向的变化要求天线具有宽波束切换能力，并保持天线极化不变以实现对同一通信信号的持续接收和发射，现有的卫通终端天线因其实现原理难以满足该应用要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种新型四臂螺旋式单元天线，引入了实现四点馈电向双线输出转换的巴伦结构，并保证了天线波束指向反向中对同一通信信号的持续接收和发射能力。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种新型四臂螺旋天线，包括双频螺旋带、巴伦结构、螺旋支撑介质、电缆、幅相输出电路，其中，所述螺旋支撑介质为支撑螺旋天线的整体结构，所述巴伦结构为连接电缆与双频螺旋带的结构，所述幅相输出电路输入端与信号激励端口连接，天线信号通过信号激励端口发送至幅相输出电路，幅相输出电路输出端与电缆一端相连，所述电缆设置于螺旋支撑介质内部，并沿螺旋支撑介质中心线穿过螺旋支撑介质，巴伦结构设置于螺旋支撑介质顶端，电缆另一端与所述巴伦结构连接，所述双频螺旋带设置于螺旋支撑介质外表面，巴伦结构通过馈电螺旋接点与双频螺旋带相连，所述天线信号由幅相输出电路通过电缆传送至巴伦结构，由巴伦结构通过馈电螺旋节点传送至双频螺旋带并向外发送。

所述双频螺旋带由螺旋金属线组成，所述螺旋金属线材料为金，螺旋金属线包括多个个折叠段，通过调节折线段长度及折叠角度改变收发频段内的信号辐射强度。

所述折叠段数量为9个。

所述巴伦结构包括顶部圆盘、十字交叉微带板，所述顶部圆盘安装于十字交叉微带板顶部，巴伦结构通过十字交叉微带板十字边沿顶点的馈电螺旋节点与双频螺旋带连接。

所述巴伦结构的馈电螺旋节点数量为4个。

所述顶部圆盘材料为聚四氟乙烯双面覆铜板，介电常数为2.65。

所述十字交叉微带板材料为Rogers RT 6010双面覆铜板，介电常数为10.2

所述电缆数量为2根，直径为1.0mm。

优选的，所述幅相输出电路为3dB桥电路。

进一步的，所述螺旋支撑介质为LDS材料，介电常数4.35，介质损耗正切为0.005。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种新型螺旋四臂天线，通过应用双端口激励切换实现了对辐射波束指向的切换，实现了对天线适应复杂应用场景的能力，该馈电方式与一般四臂螺旋天线的自移相顶馈或90°相差网络的底馈波方式相比，兼顾了性能功能更优、结构复杂度适中的优点；

(2)本发明基于自身方案特点，为一种巴伦顶馈与移相网络馈电的混合馈电方式，即回避了移相网络的设计复杂度又能够实现优于传统巴伦顶馈的圆极化与方向图性能，具有天线方案新颖、工作方式多样、硬件实施成本低、性能优良、利于批量生产等特点，具有很强的实用性和技术竞争力；

(3)本发明提供的技术方案作为卫星通信终端天线的重要技术手段，能够应用到各类手持终端卫通天线设计中，并为终端提供多模工作能力，实现在复杂电磁环境下的卫通性能实现，该新型四臂螺旋天线通过控制对不同端口的激励使天线具有了主波束方向切换的能力，并能够保持同一的圆极化特性，在新型卫星通信卫星导航终端天线、智能天线以及方面具有重要的应用前景；

(4)本发明使用的巴伦结构结合3dB桥电路的四臂螺旋天线的实现方式，为终端提供多模工作能力，满足了在复杂电磁环境或多应用场景下的天线性能的需求，该新型四臂螺旋天线通过控制对不同端口的激励使天线具有了主波束方向切换的能力，并能够保持同一的圆极化特性，在新型卫星通信卫星导航终端天线、智能天线以及方面具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明的新型四臂螺旋天线组成示意图；

图2是新型四臂螺旋天线工作原理示意图；

图3是本发明四臂螺旋天线巴伦结构示意图；

图4是巴伦结构工作原理示意图；

图5是本发明折叠螺旋带与介质支撑缠绕示意图；

图6是新型四臂螺旋天线波束指向切换示意图；

图7是卫通终端多种应用场景设定的描述；

图8是卫通终端新型天线复杂电磁环境的应用场景说明

图9是本发明四臂螺旋天线辐射体结构示意图；

图10是本发明四臂螺旋天线与巴伦结构连接关系示意图；

具体实施方式

如图1所示，一种新型四臂螺旋天线，包括双频螺旋带1、巴伦结构2、螺旋支撑介质3、电缆4、幅相输出电路5，所述幅相输出电路5输入端分别与信号激励端口及信号负载端口连接，输出端与电缆4一端相连，所述电缆4设置于螺旋支撑介质3内部，并沿螺旋支撑介质3中心线穿过螺旋支撑介质，巴伦结构2设置于螺旋支撑介质3顶端，电缆4另一端与所述巴伦结构2连接，所述双频螺旋带1设置于螺旋支撑介质外表面，巴伦结构2通过馈电螺旋接点与双频螺旋带相连，天线信号通过信号激励端口发送至幅相输出电路5，再由幅相输出电路5通过电缆4传送至巴伦结构2，由巴伦结构2通过馈电螺旋节点传送至双频螺旋带1并向外发送。

其中，所述巴伦结构2包括顶部圆盘21、十字交叉微带板22，所述双频螺旋带1由螺旋金属线组成，巴伦结构2通过十字交叉微带板22的微带线边沿接触点与螺旋金属线接触来连接双频螺旋带1。

在本发明提供的新型四臂螺旋天线中，采用新型馈电方式，双频螺旋带结构为天线的辐射体，通过调节折线段长度在收发频段内谐振进行辐射；巴伦结构为一种并联型阻抗转换器，实现对四臂螺旋线进行两对差分馈电，并以2个同轴线作为对外端口，使巴伦结构两个输入口的输入阻抗是四臂馈电点的辐射阻抗的一半；螺旋支撑介质实现对双频螺旋带结构的支撑，并由于其介电特性为实现了天线小型化；两根等长细电缆提供了巴伦结构与幅相输出电路的连接，其中幅相输出电路为3dB桥电路；而3dB桥电路实现对巴伦结构的两个同轴输入口进行等幅相差±90°的馈电，进而实现对四臂螺旋线的等幅而相位为(0°,90°，180°，270°)或(0°,-90°，-180°，-270°)分布的圆极化激励。

如图9所示，双频折叠螺旋带结构1由四个完全相同的螺旋线11、12、13、14组成，并沿螺旋支撑介质3的轴向旋转排列；

如图10所示，巴伦结构2嵌入螺旋支撑介质3的顶端，并同圆盘微带线边沿与四个螺旋线11、12、13、14相连，螺旋支撑介质3为螺旋带结构1提供附着与支撑，一般通过LDS工艺在螺旋支撑介质3的四个侧面金属沉积出螺旋线11；而两根电缆4为较细的柔性射频电缆，穿过螺旋支撑介质3的中心，每根电缆的一段与巴伦结构2的下方方形微带线连接，而另一端与3dB桥电路5的等功分输出端口连接；3dB桥电路5为带状线芯片，作为该天线的附属器件，实现等幅相差90°的功分输出，一般集成于终端电路板上。

螺旋线11为多折叠型的螺旋带，通过改变每段金属带的宽度和长度来改变四个相同螺旋带结构间的耦合关系，进而实现四臂螺旋天线在收发频段内差分馈电下的阻抗匹配。螺旋线11嵌入螺旋支撑介质3提供了结构尺寸小型化下的双频螺旋带结构在收发频段内谐振的可能，进而实现天线辐射。在十字交叉微带板22中的U型微带线电路与输出微带线板材采用厚度0.508mm的Rogers RT 6010双面覆铜板，介电常数为10.2，而顶部圆盘21仍采用厚度0.60mm的聚四氟乙烯双面覆铜板，介电常数为2.65。螺旋支撑介质3为方形中空介质柱，采用的高介电常数LDS材料(介电常数4.35，介质损耗正切为0.005)，便于基于LDS工艺的大批量生产制造。两根电缆41与42沿天线中心轴线向下延伸，其一端与巴伦结构的输出微带线连接，另一端则与3dB桥电路5的两个输出口连接。

如图2所示，采用巴伦结构对四臂螺旋结构进行两两对向螺旋的差分馈电，将四臂螺旋结构分为两组，每组螺旋由相互对向的螺旋组成，馈电等幅相差180°，而这两组螺旋分别输出一个端口，即对其中一个端口进行激励，将对对应的螺旋组进行差分馈电。对两个端口进行等幅90°相差馈电将同时对两组螺旋进行激励，形成圆极化波束。这样，在该天线中，应用了3dB桥电路实现对四臂螺旋结构中两组螺旋的等幅90°相差馈电，而应用新型巴伦结构实现对两组螺旋的差分馈电，达到对四臂螺旋线的等幅而相位为(0°,90°，180°，270°)或(0°,-90°，-180°，-270°)分布的圆极化四点馈电激励的目的。

如图3所示，采用的新型巴伦结构，由双面U型微带线与四点输出微带线组成，其中四点输出微带线在巴伦结构中体现为微带线边沿接触点，他们的连接关系如图4所示，通过U型微带线在工作频段内实现180°移相，并对每组螺旋(螺旋1与螺旋3、螺旋2与螺旋4)进行差分馈电。

如图5所示，新型四臂螺旋天线中的螺旋结构由四个相同螺旋结构旋转排列，而每个螺旋结构为不同宽度多折叠型的螺旋金属带缠绕(方形)介质棒而成，该多折叠型结构不仅为相互耦合的四臂螺旋结构提供了两个谐振点以覆盖卫星通信收发频段，还有利于实现螺旋结构的小型化，便于在终端整机上的集成。

在该天线中，通过切换激励端口来实现对主波束方向的改变，如图6所示。当信号激励端口1，主波束方向为+Z轴方向，而当信号激励端口2，主波束方向为-Z轴方向，且其极化特性一致，符合了极化判定准则

当端口1得到功率激励时，四臂螺旋结构馈电点的相位分布为(0°,90°，180°，270°)，对应的酉矢量

而当端口2得到功率激励时，四臂螺旋结构馈电点的相位分布为(0°,-90°，-180°，-270°)，对应的酉矢量

而

所以当主波束方向切换后，其主波束的极化特性保持不变。

在该终端的应用中，可以根据终端不同的位置或天线指向，选择不同的主波束指向来进行对星通信，如图7所示，而当该终端处于城市环境应用时，则可以应用该主波束指向切换的功能来应对建筑物对星地无线链路的遮挡效应，选择两次反射的无线链路，并采用天线主波束指向反向后的波束进行信号发射与接收，如图8所示。

在具体实施中，巴伦结构中传输线的特征阻抗设置为50欧姆，而调整四臂螺旋结构尺寸使其双频点谐振，且谐振点下螺旋结构馈电点的辐射阻抗为100欧姆，并通过与具有阻抗并联特性的巴伦结构(2)连接，实现四臂螺旋天线辐射体(含双频折叠螺旋带结构1、巴伦结构2、螺旋介质支撑3、两根电缆4)的输入阻抗约为50欧姆，而电缆4、3dB桥电路5中传输线的特征阻抗也选择50欧姆，如此，实现整个天线的与终端整机匹配于50欧姆。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：包括双频螺旋带(1)、巴伦结构(2)、螺旋支撑介质(3)、电缆(4)、幅相输出电路(5)，其中，所述螺旋支撑介质(3)为支撑螺旋天线的整体结构，所述巴伦结构(2)为连接电缆(4)与双频螺旋带(1)的结构，所述幅相输出电路(5)输入端与信号激励端口连接，天线信号通过信号激励端口发送至幅相输出电路(5)，幅相输出电路(5)输出端与电缆(4)一端相连，所述电缆(4)设置于螺旋支撑介质(3)内部，并沿螺旋支撑介质(3)中心线穿过螺旋支撑介质(3)，巴伦结构(2)设置于螺旋支撑介质(3)顶端，电缆(4)另一端与所述巴伦结构(2)连接，所述双频螺旋带(1)设置于螺旋支撑介质(3)外表面，巴伦结构(2)通过馈电螺旋接点与双频螺旋带(1)相连，所述天线信号由幅相输出电路(5)通过电缆(4)传送至巴伦结构(2)，由巴伦结构(2)通过馈电螺旋节点传送至双频螺旋带(1)并向外发送，其中：

所述双频螺旋带由螺旋金属线组成，所述螺旋金属线材料为金，螺旋金属线包括多个个折叠段，通过调节折线段长度及折叠角度改变收发频段内的信号辐射强度，折叠段数量为9个；

所述巴伦结构(2)包括顶部圆盘(21)、十字交叉微带板(22)，所述顶部圆盘(21)安装于十字交叉微带板(22)顶部，巴伦结构(2)通过十字交叉微带板(22)十字边沿顶点的馈电螺旋节点与双频螺旋带(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述巴伦结构(2)的馈电螺旋节点数量为4个。

3.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述顶部圆盘(21)材料为聚四氟乙烯双面覆铜板，介电常数为2.65。

4.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述十字交叉微带板(22)材料为Rogers RT 6010双面覆铜板，介电常数为10.2。

5.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述电缆(4)数量为2根，直径为1.0mm。

6.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述幅相输出电路(5)为3dB桥电路。

7.根据权利要求1所述的一种新型四臂螺旋天线，其特征在于：所述螺旋支撑介质(3)为LDS材料，介电常数4.35，介质损耗正切为0.005。

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