CN108091995A - 一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，包括：天线介质体；天线谐振体，与天线介质体配合设置；天线电路板，连接设置于天线介质体和天线谐振体底部，其中，天线介质体为12棱柱体，其侧面由12个等面组成，天线介质体上设置有天线谐振体，天线谐振体围绕天线介质体的侧面，天线谐振体包括四条高频螺旋臂：第一高频螺旋臂，第二高频螺旋臂，第三高频螺旋臂，第四高频螺旋臂，四条低频螺旋臂：第一低频螺旋臂，第二低频螺旋臂，第三低频螺旋臂，第四低频螺旋臂，分为四组，每组包含一条高频螺旋臂和一条低频螺旋臂，天线谐振体由导电体构成。本发明的天线设计频率带宽宽，易于生产加工，低仰角增益高，适合卫星双向通信。

Description

一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线
技术领域
本发明涉及微波技术和天线领域，且特别涉及一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线。
背景技术
现有四臂螺旋天线分为短路型和开路型。都有宽波束圆极化和低仰角增益高的特点。短路型比开路型的波束宽，单方向的增益没有开路型高。但都存在频率带宽窄的缺点。就工艺上来说，大多四臂螺旋天线通过柔性电路板包裹圆柱体或者铜线绕制工艺来实现。对于窄带宽天线来说，上述工艺的尺寸公差控制比较差，很容易造成阻抗失配和频率漂移，导致产品品质下降，或者成品率低。
还有一些螺旋天线则通过印刷银浆来实现，由于印刷工艺比较复杂，印刷后需要烘干银浆才能印刷另一面，大多只针对平面类或者简单曲面类产品，在面与面的图案衔接上比较难控制精度。比较常见的印刷陶瓷天线，虽然实现了小型化，但其带宽会更窄一些，大多只适合用于接收天线。
发明内容
本发明提出一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，通过天线设计，应用最新的LDS工艺，达到螺旋天线产品的机械化生产，提高产品质量，本发明的天线设计具有频率带宽宽，易于生产加工，低仰角增益比普通产品高的特点，适合卫星双向通信。
为了达到上述目的，本发明提出一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，包括：
天线介质体；
天线谐振体，与所述天线介质体配合设置，组成整体天线；
天线电路板，连接设置于所述天线介质体和天线谐振体底部，其中，
所述天线介质体为12棱柱体，其侧面由12个等面组成，所述天线介质体上设置有天线谐振体，所述天线谐振体围绕天线介质体的侧面，所述天线谐振体包括四条高频螺旋臂：第一高频螺旋臂H1，第二高频螺旋臂H2，第三高频螺旋臂H3，第四高频螺旋臂H4，四条低频螺旋臂：第一低频螺旋臂L1，第二低频螺旋臂L2，第三低频螺旋臂L3，第四低频螺旋臂L4，分为四组，每组包含一条高频螺旋臂和一条低频螺旋臂，所述天线谐振体由导电体构成。
进一步的，所述天线电路板包括4个射频端口，4条相位延时线和接地面，其中所述4个射频端口分别是第一射频端口P1，第二射频端口P2，第三射频端口P3，第四射频端口P4，分别对应激励信号0度，90度，180度和270度，所述4个射频端口分别连接4条相位延时线：第一相位延时线C1，第二相位延时线C2，第三相位延时线C3，第四相位延时线C4。
进一步的，所述第一射频端口P1电气连接第一相位延时线C1，第一相位延时线C1电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第一高频螺旋臂H1和第一低频螺旋臂L1，其中第一高频螺旋臂H1的连接点较第一低频螺旋臂L1更靠近第一射频端口P1端口，使第一高频螺旋臂H1和第一低频螺旋臂L1存在相位差。
进一步的，所述第二射频端口P2电气连接第二相位延时线C2，第二相位延时线C2电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第二高频螺旋臂H2和第二低频螺旋臂L2，其中第二高频螺旋臂H2的连接点较第二低频螺旋臂L2更靠近第二射频端口P2端口，使第二高频螺旋臂H2和第二低频螺旋臂L2存在相位差。
进一步的，所述第三射频端口P3电气连接第三相位延时线C3，第三相位延时线C3电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第三高频螺旋臂H3和第三低频螺旋臂L3，其中第三高频螺旋臂H3的连接点较第三低频螺旋臂L3更靠近第三射频端口P3端口，使第三高频螺旋臂H3和第三低频螺旋臂L3存在相位差。
进一步的，所述第四射频端口P4电气连接第四相位延时线C4，第四相位延时线C4电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第四高频螺旋臂H4和第四低频螺旋臂L4，其中第四高频螺旋臂H4的连接点较第四低频螺旋臂L4更靠近第四射频端口P4端口，使第四高频螺旋臂H4和第四低频螺旋臂L4存在相位差。
进一步的，所述第一射频端口P1和第三射频端口P3激励所产生的相位差为180度，与其连接的两组螺旋臂构成一个天线谐振单元，因为高频和低频螺旋臂在相位延时线上存在相位差，以及高低频螺旋臂不同的长度和宽度，所以造成这个谐振单元谐振时产生两个频点，拓展了频率带宽，第二射频端口P2和第四射频端口P4所产生的相位差为180度，构成另一个天线谐振单元，其与第一射频端口P1和第三射频端口P3构成的天线谐振单元一起形成了4相位螺旋谐振体，同时形成两个谐振频点，拓展了频率带宽。
进一步的，所述相位延时线为射频微带线，其设置于天线电路板的一个面上，所述接地面设置于对应另一个面上。
进一步的，所述天线介质体靠近天线电路板的面上设置焊盘或者设置天线电路板上的相位延时线，帮助天线谐振体和天线电路板的电气连接，以及增加生产一致性。
进一步的，所述天线电路板有三种形式：第一种相位延时线的两边：内圈和外圈，都包含接地层，有接地孔，连接到天线电路板另一面的接地面；第二种相位延时线的一边内圈有接地层，通过接地孔连接到天线电路板另一面的接地面；第三种相位延时线，两边都没有接地层。
进一步的，所述天线介质体是空心的，其内部设置有膨胀螺钉，将天线介质体固定在天线电路板上。
进一步的，所述天线电路板设置有馈电线路板B2，其包括：馈电电路和5个射频接口。5个射频接口包括：第一馈电接口AP1，第二馈电接口AP2，第三馈电接口AP3，第四馈电接口AP4和合路接口S1。所述馈电电路板B2中的馈电电路，为应用3个威尔金森功分器和延时线路，构成的一个四相位的电桥线路。
进一步的，所述馈电线路板5个射频接口，其中，第一馈电接口AP1电气连接电桥线路的0度相位线路，第二馈电接口AP2电气连接电桥线路的90度相位线路，第三馈电接口AP3电气连接电桥线路的180度相位线路，第四馈电接口AP4电气连接电桥线路的270度相位线路，合路接口S1为电桥线路的合路端口。，第一馈电接口AP1连接第一射频端口P1，第二馈电接口连接第二射频端口P2，第三馈电接口连接第三射频端口P3，第四馈电接口连接第四射频端口P4。合路接口S1为加入馈电线路板后天线的输入输出端口。
本发明提出的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，通过特殊的结构设计，可以通过使用激光直接成型技术，在LDS材质上制作天线的金属化振子，使天线的工艺精度达到很大提升，也使螺旋天线的制作更加机械化，有利于大批量生产，提高产品质量，本发明的天线设计具有频率带宽宽，易于生产加工，低仰角增益比普通产品高的特点，适合卫星双向通信。
本发明提出的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其产品特点是：
1.采用八臂设计双频，比普通的四臂螺旋天线带宽更宽。这里通过延时线把4相位馈电输入变成两组共8个相位的激励信号，通过8根螺旋臂向空间辐射，在生产中可以测量延时线各点的相位，更容易工艺把控。
2.采用LDS工艺制作天线振子，并配合此工艺，开发出十二棱柱的天线介质体，相比于圆柱的介质体更加容易控制工艺精度。
这里LDS可以实现机械自动翻面，面与面的图案衔接精度高。激光制程不需要烘干步骤，产品生产速度快。十二棱柱体相比传统的长方体印刷天线，更逼近圆柱面，圆极化增益更高。而相比圆柱面，其连续的平面结构，更适合生产、检验和工艺控制。
实际效果：本发明天线仿真图中仰角10度上增益在-0.5dbi以上，比一般天线的角度更宽，非常适合颠簸等恶劣环境下的卫星通信。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线分解与组合结构示意图。
图2所示为天线谐振体和天线电路板各相位分解与组合结构示意图。
图3所示为三种天线电路板结构示意图。
图4和图5所示为天线介质体固定在天线电路板上的结构示意图。
图6所示为馈电线路板结构示意图。
图7所示为本发明的天线加入馈电线路板后的结构示意图。
图8所示为各相位端口回波损耗图。
图9a和图9b所示为天线辐射三维图。
图10所示为1980mhz天线辐射图。
图11所示为2090mhz天线辐射图。
图12所示为2200mhz天线辐射图。
图13所示为馈电线路板性能仿真图。
图14所示为加入馈电线路板的天线合路口S1回波损耗图。
图15所示为加入馈电线路板的天线合路口S1的Smith圆图。
图16所示为加入馈电线路板的天线辐射图。
图17a和图17b所示为加入馈电线路板的天线辐射三维图。
具体实施方式
以下结合附图给出本发明的具体实施方式，但本发明不限于以下的实施方式。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1和图2，本发明提出一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，包括：天线介质体J1；天线谐振体A1，与所述天线介质体J1配合设置，组成整体天线；天线电路板B1，连接设置于所述天线介质体J1和天线谐振体A1底部，其中，所述天线介质体J1为12棱柱体，其侧面由12个等面组成，所述天线介质体J1上设置有天线谐振体A1，所述天线谐振体A1围绕天线介质体J1的侧面，所述天线谐振体A1包括四条高频螺旋臂：第一高频螺旋臂H1，第二高频螺旋臂H2，第三高频螺旋臂H3，第四高频螺旋臂H4，四条低频螺旋臂：第一低频螺旋臂L1，第二低频螺旋臂L2，第三低频螺旋臂L3，第四低频螺旋臂L4，分为四组，每组包含一条高频螺旋臂和一条低频螺旋臂，所述天线谐振体A1由导电体构成。
所述天线电路板包括4个射频端口，4条相位延时线和接地面，其中所述4个射频端口分别是第一射频端口P1，第二射频端口P2，第三射频端口P3，第四射频端口P4，分别对应激励信号0度，90度，180度和270度，所述4个射频端口分别连接4条相位延时线：第一相位延时线C1，第二相位延时线C2，第三相位延时线C3，第四相位延时线C4。
进一步的，所述第一射频端口P1电气连接第一相位延时线C1，第一相位延时线C1电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第一高频螺旋臂H1和第一低频螺旋臂L1，其中第一高频螺旋臂H1的连接点较第一低频螺旋臂L1更靠近第一射频端口P1端口，使第一高频螺旋臂H1和第一低频螺旋臂L1存在相位差。
所述第二射频端口P2电气连接第二相位延时线C2，第二相位延时线C2电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第二高频螺旋臂H2和第二低频螺旋臂L2，其中第二高频螺旋臂H2的连接点较第二低频螺旋臂L2更靠近第二射频端口P2端口，使第二高频螺旋臂H2和第二低频螺旋臂L2存在相位差。
所述第三射频端口P3电气连接第三相位延时线C3，第三相位延时线C3电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第三高频螺旋臂H3和第三低频螺旋臂L3，其中第三高频螺旋臂H3的连接点较第三低频螺旋臂L3更靠近第三射频端口P3端口，使第三高频螺旋臂H3和第三低频螺旋臂L3存在相位差。
所述第四射频端口P4电气连接第四相位延时线C4，第四相位延时线C4电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第四高频螺旋臂H4和第四低频螺旋臂L4，其中第四高频螺旋臂H4的连接点较第四低频螺旋臂L4更靠近第四射频端口P4端口，使第四高频螺旋臂H4和第四低频螺旋臂L4存在相位差。
所述第一射频端口P1和第三射频端口P3激励所产生的相位差为180度，与其连接的两组螺旋臂构成一个天线谐振单元，因为高频和低频螺旋臂在相位延时线上存在相位差，以及高低频螺旋臂不同的长度和宽度，所以造成这个谐振单元谐振时产生两个频点，拓展了频率带宽，第二射频端口P2和第四射频端口P4所产生的相位差为180度，构成另一个天线谐振单元，其与第一射频端口P1和第三射频端口P3构成的天线谐振单元一起形成了4相位螺旋谐振体，同时形成两个谐振频点，拓展了频率带宽。这种八臂螺旋比4臂螺旋多出一倍的谐振臂，不仅增大的频率带宽，也提高了辐射增益，加大了辐射波瓣角度。
所述相位延时线为射频微带线，其设置于天线电路板的一个面T上，所述接地面设置于对应另一个面Z上。天线电路板的面T是靠近天线介质体的面。
所述天线介质体靠近天线电路板的面N上设置焊盘或者设置天线电路板上的相位延时线，帮助天线谐振体和天线电路板的电气连接，以及增加生产一致性。
再请参考图3，所述天线电路板有三种形式：第一种相位延时线的两边：内圈G1和外圈G3，都包含接地层，有接地孔G2，连接到天线电路板另一面的接地面；第二种相位延时线的一边内圈G1有接地层，通过接地孔G2连接到天线电路板另一面的接地面；第三种相位延时线，两边都没有接地层。
请参考图4和图5，所述天线介质体是空心的，以减少天线重量，减少生产成本。其内部设置有膨胀螺钉，将天线介质体固定在天线电路板上。本实用例的天线介质体包括十二楞柱J1，螺钉连接面D1，膨胀螺钉D2，定位脚D3。膨胀螺钉D2设置在螺钉连接面D1上，螺钉连接面D1在十二楞柱J1内，起到结构连接作用。定位脚D3设置在J1上，可以插入天线电路板，防止楞柱转动，起到定位作用。图8～12为本发明较佳实施例的的天线性能仿真图。
根据本发明另一较佳实施例，所述天线电路板设置有馈电线路板B2，其包括：馈电电路和5个射频接口。5个射频接口包括：第一馈电接口AP1，第二馈电接口AP2，第三馈电接口AP3，第四馈电接口AP4和合路接口S1。所述馈电电路板B2中的馈电电路，为应用3个威尔金森功分器和延时线路，构成的一个四相位的电桥线路。
进一步的，所述馈电线路板5个射频接口，其中，第一馈电接口AP1电气连接电桥线路的0度相位线路，第二馈电接口AP2电气连接电桥线路的90度相位线路，第三馈电接口AP3电气连接电桥线路的180度相位线路，第四馈电接口AP4电气连接电桥线路的270度相位线路，合路接口S1为电桥线路的合路端口。，第一馈电接口AP1连接第一射频端口P1，第二馈电接口连接第二射频端口P2，第三馈电接口连接第三射频端口P3，第四馈电接口连接第四射频端口P4。合路接口S1为加入馈电线路板后天线的输入输出端口。
在本发明加入馈电线路板的较佳实施例中，天线高度63mm，直径32mm。天线馈电线路板80mm*80mm，高度2.6mm。天线馈电线路板可以采用集中元件来缩小尺寸，但是会伴随成本的上升。此例中，图6和图7所示为馈电线路板结构示意图。只需要一块双层电路板和三个100欧姆的电阻，即可实现四相位馈电，且插入损耗很小。其仿真如图13所示的馈电线路板性能仿真图。图14～17是本实施例天线与馈电线路板结合后的天线性能仿真图。
所有实用例中天线谐振体设置于天线介质体的方式除了LDS加工，还可以是印刷等方式，比如把银浆印刷在玻璃或者塑胶上，或者fpc包裹在介质体上，或者金属片铆接在介质体上(这里应对指标要求不高的天线)，或者通过溅射方式将金属图案镶嵌在介质体上。实用例中，螺旋的旋转方向和端口激励信号的的排布方式构成了一种左旋圆极化天线，也可以改变成右旋圆极化天线。
综上所述，本发明提出的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，通过特殊的结构设计，可以通过使用激光直接成型技术，在LDS材质上制作天线的金属化振子，使天线的工艺精度达到很大提升，也使螺旋天线的制作更加机械化，有利于大批量生产，提高产品质量，本发明的天线设计具有频率带宽宽，易于生产加工，低仰角增益比普通产品高的特点，适合卫星双向通信。
本发明提出的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其产品特点是：
1.采用八臂设计双频，比普通的四臂螺旋天线带宽更宽。这里通过延时线把4相位馈电输入变成两组共8个相位的激励信号，通过8根螺旋臂向空间辐射，在生产中可以测量延时线各点的相位，更容易工艺把控。
2.采用LDS工艺制作天线振子，并配合此工艺，开发出十二棱柱的天线介质体，相比于圆柱的介质体更加容易控制工艺精度。
这里LDS可以实现机械自动翻面，面与面的图案衔接精度高。激光制程不需要烘干步骤，产品生产速度快。十二棱柱体相比传统的长方体印刷天线，更逼近圆柱面，圆极化增益更高。而相比圆柱面，其连续的平面结构，更适合生产、检验和工艺控制。
实际效果：本发明天线仿真图中仰角10度上增益在-0.5dbi以上，比一般天线的角度更宽，非常适合颠簸等恶劣环境下的卫星通信。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，包括：
天线介质体；
天线谐振体，与所述天线介质体配合设置，组成整体天线；
天线电路板，连接设置于所述天线介质体和天线谐振体底部，其中，
所述天线介质体为12棱柱体，其侧面由12个等面组成，所述天线介质体上设置有天线谐振体，所述天线谐振体围绕天线介质体的侧面，所述天线谐振体包括四条高频螺旋臂：第一高频螺旋臂，第二高频螺旋臂，第三高频螺旋臂，第四高频螺旋臂，四条低频螺旋臂：第一低频螺旋臂，第二低频螺旋臂，第三低频螺旋臂，第四低频螺旋臂，分为四组，每组包含一条高频螺旋臂和一条低频螺旋臂，所述天线谐振体由导电体构成。
2.根据权利要求1所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述天线电路板包括4个射频端口，4条相位延时线和接地面，其中所述4个射频端口分别是第一射频端口，第二射频端口，第三射频端口，第四射频端口，分别对应激励信号0度，90度，180度和270度，所述4个射频端口分别连接4条相位延时线：第一相位延时线，第二相位延时线，第三相位延时线，第四相位延时线。
3.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述第一射频端口电气连接第一相位延时线，第一相位延时线电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第一高频螺旋臂和第一低频螺旋臂，其中第一高频螺旋臂的连接点较第一低频螺旋臂更靠近第一射频端口，使第一高频螺旋臂和第一低频螺旋臂存在相位差。
4.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述第二射频端口电气连接第二相位延时线，第二相位延时线电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第二高频螺旋臂和第二低频螺旋臂，其中第二高频螺旋臂的连接点较第二低频螺旋臂更靠近第二射频端口，使第二高频螺旋臂和第二低频螺旋臂存在相位差。
5.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述第三射频端口电气连接第三相位延时线，第三相位延时线电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第三高频螺旋臂和第三低频螺旋臂，其中第三高频螺旋臂的连接点较第三低频螺旋臂更靠近第三射频端口，使第三高频螺旋臂和第三低频螺旋臂存在相位差。
6.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述第四射频端口电气连接第四相位延时线，第四相位延时线电气连接天线谐振体的一组螺旋臂第四高频螺旋臂和第四低频螺旋臂，其中第四高频螺旋臂的连接点较第四低频螺旋臂更靠近第四射频端口，使第四高频螺旋臂和第四低频螺旋臂存在相位差。
7.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述第一射频端口和第三射频端口激励所产生的相位差为180度，与其连接的两组螺旋臂构成一个天线谐振单元，因为高频和低频螺旋臂在相位延时线上存在相位差，以及高低频螺旋臂不同的长度和宽度，所以造成这个谐振单元谐振时产生两个频点，拓展了频率带宽，第二射频端口和第四射频端口所产生的相位差为180度，构成另一个天线谐振单元，其与第一射频端口和第三射频端口构成的天线谐振单元一起形成了4相位螺旋谐振体，同时形成两个谐振频点，拓展了频率带宽。
8.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述相位延时线为射频微带线，其设置于天线电路板的一个面上，所述接地面设置于对应另一个面上。
9.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述天线介质体靠近天线电路板的面上设置焊盘或者设置天线电路板上的相位延时线，帮助天线谐振体和天线电路板的电气连接，以及增加生产一致性。
10.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述天线电路板有三种形式：第一种相位延时线的两边：内圈和外圈，都包含接地层，有接地孔，连接到天线电路板另一面的接地面；第二种相位延时线的一边内圈有接地层，通过接地孔连接到天线电路板另一面的接地面；第三种相位延时线，两边都没有接地层。
11.根据权利要求1所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述天线介质体是空心的，其内部设置有膨胀螺钉，将天线介质体固定在天线电路板上。
12.根据权利要求2所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述天线电路板设置有馈电线路板，其包括：馈电电路和5个射频接口，所述5个射频接口包括：第一馈电接口，第二馈电接口，第三馈电接口，第四馈电接口和合路接口，所述馈电电路板中的馈电电路，为应用3个威尔金森功分器和延时线路，构成的一个四相位的电桥线路。
13.根据权利要求12所述的适用于激光直接成型技术的八臂螺旋圆极化双频天线，其特征在于，所述馈电线路板5个射频接口，其中，第一馈电接口电气连接电桥线路的0度相位线路，第二馈电接口电气连接电桥线路的90度相位线路，第三馈电接口电气连接电桥线路的180度相位线路，第四馈电接口电气连接电桥线路的270度相位线路，合路接口为电桥线路的合路端口。，第一馈电接口连接第一射频端口，第二馈电接口连接第二射频端口，第三馈电接口连接第三射频端口，第四馈电接口连接第四射频端口。合路接口为加入馈电线路板后天线的输入输出端口。
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