CN109473770B - 一种基于平行板电容加载的螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平行板电容加载的螺旋天线，包括螺旋天线，所述基于平行板电容加载的螺旋天线外接同轴馈电线，所述同轴馈电线包括内导体、外导体，还包括第一金属地板、第二金属地板、第一平行板电容、第二平行板电容；所述螺旋天线的两端分别与第一平行板电容、第二平行板电容的一端连接，且第一平行板电容、第二平行板电容相互平行设置；所述第一平行板电容、第二平行板电容的另一端分别与第一金属地板、第二金属地板连接；所述第二金属地板设有通孔；所述同轴馈电线的内导体穿过通孔与第二平行板电容连接，所述同轴馈电线的内导体通过第二平行板电容以场的形式对辐射单元进行馈电。本发明螺旋天线实现高增益、小型化。

Description

一种基于平行板电容加载的螺旋天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体的，涉及一种基于平行板电容加载的螺旋天线。

背景技术

在不断发展的移动通信网络中，现代保密通信中的跳扩频技术的应用以及移动通信的快速发展，对全向辐射小型化的天线的需求越来越多，螺旋天线在社会需求之下应运而生。螺旋天线结构简单，它是一种具有螺旋形状的天线，它由导电性能良好的金属螺旋线组成，通常用同轴线馈电，同轴线的内导体和螺旋线的一端相连接，同轴线的外导体则和接地的金属板相连接。其中法向模螺旋天线是目前天线小型化的主要技术之一，法向模螺旋天线是单极子天线的一种变形，将其卷绕成螺旋状可以缩短天线长度。螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关，当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。法向模螺旋天线基本满足全向辐射，法向模螺旋天线电尺寸小，重量轻，且与单极子天线的电特性相近，在移动通信中得到广泛的应用。但是在460MHz无线通信实际应用中，该频率真空波长达652mm，半波长也有326mm，因此法向模螺旋天线在460MHz无线通信应用中存在尺寸过大。

目前现有技术之一利用加载法向模螺旋天线来优化设计宽带小型化天线的新技 术，如图1所示，该技术通过全局优化算法——遗传算法结合矩量法对天线加载值、加载位 置以及相关的匹配网络参数这一庞大的群体进行了一体化最优化。加载元件为集总电容、 集总电感、集总电阻，引入Sherman-Morrison-Woodbury公式来快速求解加载形式改变后天 线的电特性，使优化的效率大大提高，同时使得螺旋天线的尺寸得到小型化，天线的高度仅 为0.122 ₀，其中： ₀为真空波长。加载方式：将螺旋天线切割成四段，在每一段之间加载RLC 集总元件，通过调节三个RLC元件的值，使得天线在规定谐振频率谐振。加载图例可参考图 1。加载1：加载高度0.105m，RLC参数分别为790.06Ω、24.753nH、0.5pF；加载2：加载高度 0.165m，RLC参数分别为213.43Ω、159.100nH、0.6pF；加载3：加载高度0.280m，RLC参数分别 为2036.00Ω、404.540nH、18.4pF。该技术对应的匹配网络，如图2所示。

该技术实现的目标有：（1）高度尺寸只有真空波长的0.122，使天线高度降低了约30%；（2）实现法向模辐射，且阻抗带宽较宽。

但是这种方法缺点有：（1）天线的高度尺寸仍然不能满足产品需求，市场要求高度在50mm以下，即最大只能是真空波长的0.077倍；（2）加工难度高，因为加载方式为RLC加载，要进行螺旋切断处理和RLC连接处理，难度较高。

现有技术之二，该技术通过在螺旋天线的中间添加铁氧体材料，提高近场的磁通量，如图3所示，通过加载铁氧体增加近场的磁通量，从而提高数据传输量和稳定性。在螺旋天线线圈中加载铁氧体的目的是使磁力线较集中地通过线圈内部，以达到增加线圈的电感量,缩小天线的体积，以达到小型化的效果。

该技术存在以下几个缺点：

（1）铁氧体材料参数的选择及其苛刻；加载铁氧体后仿真变得复杂化,需要进一步调试铁氧体的参数，实物铁氧体的一些参数与仿真参数有出入,找不到合适的铁氧体，误差较大。

（2）在不接阻抗匹配网络之前，回波损耗很大，但是增加了阻抗匹配网络之后，使得天线的结构复杂化，又不利于螺旋线的小型化。

发明内容

本发明为了解决螺旋天线存在寸尺大，不能满足产品需求的问题，同时为了降低螺旋天线的安装规格要求，提供了一种基于平行板电容加载的螺旋天线，其能保证实现螺旋天线小型化、高增益的基础上，降低螺旋天线的安装规格要求，同时该螺旋天线能提供不同的工作频率和不同的工作模式。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于平行板电容加载的螺旋天线，包括螺旋天线，所述基于平行板电容加载的螺旋天线外接同轴馈电线，所述同轴馈电线包括内导体、外导体，还包括第一金属地板、第二金属地板、第一平行板电容、第二平行板电容；所述螺旋天线的两端分别与第一平行板电容、第二平行板电容的一端连接，且第一平行板电容、第二平行板电容相互平行设置；所述第一平行板电容、第二平行板电容的另一端分别与第一金属地板、第二金属地板连接；所述第二金属地板设有通孔；所述同轴馈电线的内导体穿过通孔与第二平行板电容连接，所述同轴馈电线的内导体通过第二平行板电容以场的形式对辐射单元进行馈电；

在实际应用中，所述基于平行板电容加载的螺旋天线需要设置在天线罩中，所述的第一金属地板、第一平行板电容、螺旋天线、第二平行板电容、第二金属地板、同轴馈电线由上到下分别设置在天线罩中，天线罩用于保护内部结构不受外部影响。

优选地，所述同轴馈电线的外导体与第二金属地板的底部连接，且内导体与外导体水平设置。

本发明为了保持第一金属地板、第二金属地板相互平行设置，在第一金属地板、第二金属地板之间设置若干条支撑柱，用于固定支撑第一金属地板、第二金属地板，并保持第一金属地板、第二金属地板相互平行设置。

优选地，所述第一平行板电容、第二平行板电容分别设置连接在第一金属地板、第二金属地板的一端表面的中心点上；所述螺旋天线的两端分别设置连接第一平行板电容、第二平行板电容的一端表面的中心点上；所述第二金属地板上的通孔的位置与第二平行板电容连接的一端的表面的中心点，第二金属地板上的通孔的半径寸尺等于同轴馈电线外导体的半径；所述内导体与第二金属地板的高度保持在同一水平。

优选地，本发明的螺旋天线3在进行加载后的螺旋天线3其实等效于电感L与两个 电容C串联，从低频电路理论知识可知，从公式中可知通过增大电容值C，在保证频 率f不变的情况下，螺旋天线3的电感值L应当相应下降。而电感值L的下降就可以通过减小 螺旋天线3的匝数来实现，也就是说通过减小螺旋天线3的高度从而减小螺旋天线3的电感 量从而保证f不变，这样就达到了小型化的目的。因此所述螺旋天线的总高度设置为36mm， 匝间距为15mm，螺旋天线的绕制半径为4mm，螺旋天线导体的半径为0.5mm。

优选地，所述同轴馈电线采用50Ω同轴馈电线，所述同轴馈电线设置为同轴馈电端口。

进一步地，所述基于平行板电容加载的螺旋天线通过所述同轴馈电线输入的阻抗为58.92-j*1.52Ω。

优选地，所述第一金属地板、第二金属地板均设置圆形结构，第一金属地板、第二金属均采用厚度为0.035mm、半径为58.8mm的金属结构。

优选地，所述第一平行板电容、第二平行板电容均采用电介质的介电常数为60，设置第一平行板电容、第二平行板电容为圆柱状，其中第一平行板电容的半径为6mm、高度为3mm，第二平行板电容的半径为3.5mm，高度为3mm。

进一步地，所述第一金属地板、第二金属地板、螺旋天线均采用金属铜。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所加载的电容并非集总元件，是直接采用高介电常数电介质和采用薄铜直接形成电容，在实际生产加工上，这种结构容易加工，机械性较高，可实行性较高，与螺旋天线结构很好的融合加工在一起。

2.本发明采用电容加载可实现螺旋天线的高度下降为真空波长的0.067倍，本发明的螺旋天线结构的总高度为43.14mm，低于50mm，尺寸小型化的程度很高。

3.本发明不需要外加阻抗匹配网络，本发明采用在所述基于平行板电容加载的螺旋天线通过同轴馈电线端口输入的阻抗为58.92-j*1.52欧姆，可以直接与SMA接口连接，回波损耗很小，不需要阻抗转换。

4.本发明螺旋天线可以应用在不同的工作频率中，不同的工作模式中均可实现小型化，并保持高增益；本发明螺旋天线在谐振频率460MHz处，在满足法向模辐射的前提下，最大增益可达2.02dBi。

附图说明

图1是现有技术之一的RLC集总元件加载的螺旋天线。

图2是现有技术之一的RLC集总元件加载的螺旋天线的馈电网络。

图3是现有技术之二的加载铁氧体的螺旋天线。

图4是本发明的平行板电容加载的螺旋天线结构图。

图5是本发明的通州接头与第一金属地板连接结构图。

图6是本发明的螺旋天线等效电路图。

图7是本发明的回波损耗S11图。

图8是本发明的阻抗图。

图9是本发明的驻波比。

图10是本发明的三维方向图。

图11是本发明的E面方向图。

图12是本发明的XY平面归一化方向图。

图中，1.第一金属地板、2.第一平行板电容、3.螺旋天线、4.第二平行板电容、5.第一金属地板、6.同轴馈电线、7.内导体、8.外导体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

本实施例以螺旋天线在谐振频率460MHz处，在满足法向模辐射的前提下进行详细讲解说明本技术方案。

如图4所示，一种基于平行板电容加载的螺旋天线，包括螺旋天线3，所述的基于平行板电容加载的螺旋天线外接同轴馈电线6，所述同轴馈电线6包括内导体7、外导体8，还包括第一金属地板1、第二金属地板5、第一平行板电容2、第二平行板电容4；所述螺旋天线3的两端分别与第一平行板电容2、第二平行板电容4的一端表面的中心点连接，且第一平行板电容2、第二平行板电容4相互平行设置；所述第一平行板电容2、第二平行板电容4的另一端分别与第一金属地板1、第二金属地板5的一端表面中心点连接，同时第一金属地板1、第二金属地板5也保持相互平行设置；如图5所示，所述同轴馈电线6的外导体8与第二金属地板5的底部连接；所述第二金属地板5与第二平行板电容4连接一端的表面中心点上设有通孔，该通孔的半径寸尺等于同轴馈电线6外导体8的半径；所述同轴馈电线6的内导体7穿过第二金属地板5的通孔，与第二平行板电容4连接，同轴馈电线6的内导体7与第二金属地板5保持在相同水平的高度，同轴馈电线6的内导体7通过第二平行板电容4以场的形式对辐射单元进行馈电，且内导体7与外导体8水平设置；

在实际应用中，所述基于平行板电容加载的螺旋天线需要设置在天线罩中，所述的第一金属地板1、第一平行板电容2、螺旋天线3、第二平行板电容4、第二金属地板5、同轴馈电线6由上到下分别设置在天线罩中，天线罩用于保护所述基于平行板电容加载的螺旋天线不受外部影响。

本实施例中为了保持第一金属地板1、第二金属地板5相互平行设置，在第一金属地板1、第二金属地板5之间设置若干条支撑柱，用于固定支撑第一金属地板1、第二金属地板5，并保持第一金属地板1、第二金属地板5相互平行设置。

本实施采用的电容加载技术可以直接用第一金属地板1、第二金属地板5、第一平行板电容2、第二平行板电容4形成，在机械性能上可以与螺旋结构很好的协调组合在一起，在实际生产加工上，这种结构容易加工，机械性较高，可实行性较高，安装简单便捷。

本实施例的螺旋天线3等效电路图，如图6所示，在进行加载后的螺旋天线3其实等 效于电感L与两个电容C串联，从低频电路理论知识可知，从公式中可知通过增大 电容值C，在保证频率f不变的情况下，螺旋天线3的电感值L应当相应下降。而电感值L的下 降就可以通过减小螺旋天线3的匝数来实现，也就是说通过减小螺旋天线3的高度从而减小 螺旋天线3的电感量从而保证f不变，这样就达到了小型化的目的。

因此本实施所述螺旋天线3的总高度设置为36mm，匝间距为15mm，螺旋天线3的绕制半径为4mm，螺旋天线导体的半径为0.5mm。

所述同轴馈电线6采用50Ω同轴馈电线；所述基于平行板电容加载的螺旋天线的输入阻抗为58.92-j*1.52欧姆。本实施例所述基于平行板电容加载的螺旋天线的工作频率为460MHz，工作在特高频UHF频段，该结构在谐振频率点的计划方式均为线极化，馈电方式为标准的50Ω同轴线馈电方式。本实施例不需要阻抗匹配网络，螺旋天线3的同轴馈电端口可以直接连接标准50欧姆同轴线，而且所述基于平行板电容加载的螺旋天线通过同轴馈电线的端口输入的阻抗为58.92-j*1.52欧姆，反射损耗极其小。

所述第一金属地板1、第二金属地板5均设置圆形，第一金属地板1、第二金属5均采用厚度为0.035mm、半径为58.8mm的金属结构。

所述第一平行板电容2、第二平行板电容4均采用电介质的介电常数为60，为了美观效果，设置第一平行板电容2、第二平行板电容4为圆柱状，便于加工测试。其中第一平行板电容2的半径为6mm、高度为3mm，第二平行板电容4的半径为3.5mm，高度为3mm。

所述第一金属地板1、第二金属地板5、螺旋天线3均采用金属铜，其具有良好的导电性。

在谐振频率460MHz处，在满足法向模辐射的前提下，对本实施例的技术方案进行相关测试，所产生的效果如下：

对本实施例的技术方案所形成的S11参数，如图7所示，从图中可以看出，在谐振频率460MHz处，S11值为-21.608dB，回波损耗达到最小值，基本可以认为信道没有反射波，能量全部进入螺旋结构。

对本实施例所述的螺旋天线做阻抗测试，如图8所示，从图可以得到，螺旋天线输入端口的输入阻抗为58.92-j*1.52欧姆，那么这个输入阻抗基本上认为天线输入端可以直接与50欧姆的同轴线无反射连接。

本实施例所述的螺旋天线的驻波比，如图9所示，从图中得出在谐振频率点460MHz处，天线系统的驻波比只有1.447dB。

本实施例所述的螺旋天线是在法向模式的基础上，也就是说天线的方向图必须是在地平面的垂直方向增益最小、与地平面平行的水平面上增益最大。本实施例所述的螺旋天线实现的三维方向图，如图10所示，从图中可以看出天线的工作模式为法向模，其中也可以看到辐射方向图的最大增益高达2.02dBi。为进一步验证工作模式，分别给出了E平面、XY平面的方向图，如图11、12所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于平行板电容加载的螺旋天线，包括螺旋天线(3)，所述基于平行板电容加载的螺旋天线外接同轴馈电线(6)，所述同轴馈电线(6)包括内导体(7)、外导体(8)，其特征在于：还包括第一金属地板(1)、第二金属地板(5)、第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)；所述螺旋天线(3)的两端分别与第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)的一端连接，且第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)相互平行设置；所述第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)的另一端分别与第一金属地板(1)、第二金属地板(5)连接；所述第二金属地板(5)设有通孔；所述同轴馈电线(6)的内导体(7)穿过通孔与第二平行板电容(4)连接；所述同轴馈电线(6)的内导体(7)通过第二平行板电容(4)以场的形式对辐射单元进行馈电；

所述同轴馈电线(6)的外导体(8)与第二金属地板(5)的底部连接，且内导体(7)与外导体(8)水平设置；

所述第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)分别设置连接在第一金属地板(1)、第二金属地板(5)的一端表面的中心点上；所述螺旋天线(3)的两端分别设置连接第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)的一端表面的中心点上。

2.根据权利要求1所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述螺旋天线(3)的总高度设置为36mm，匝间距为15mm，螺旋天线(3)的绕制半径为4mm，螺旋天线(3)导体的半径为0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述同轴馈电线(6)采用50Ω同轴馈电线。

4.根据权利要求1所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述基于平行板电容加载螺旋天线通过所述同轴馈电线(6)输入的阻抗为58.92-j*1.52Ω。

5.根据权利要求1所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述第一金属地板(1)、第二金属地板(5)均设置圆形，第一金属地板(1)、第二金属地板(5)均采用厚度为0.035mm、半径为58.8mm的金属结构。

6.根据权利要求1所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)均采用电介质的介电常数为60，设置第一平行板电容(2)、第二平行板电容(4)为圆柱状，其中第一平行板电容(2)的半径为6mm、高度为3mm，第二平行板电容(4)的半径为3.5mm，高度为3mm。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于平行板电容加载的螺旋天线，其特征在于：所述第一金属地板(1)、第二金属地板(5)、螺旋天线(3)均采用金属铜。