CN109546301A - 一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，包括介质圆柱和均匀旋转设置在介质圆柱上的四个天线臂组，每个天线臂组均包括从介质圆柱底部向上倾斜延伸至介质圆柱顶部的且彼此平行设置的第一天线臂、第二天线臂和第三天线臂，第一天线臂和第二天线臂位于介质圆柱顶部的一端第一连接器连接，第二天线臂和第三天线臂位于介质圆柱底部的一端通过第二连接器连接，第二连接器上设置有第一短路口，第一天线臂位于介质圆柱底部的一端连接有第一馈电端口。本发明的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，通过折臂处理，介质加载，短路加载的方式实现了四臂螺旋天线体积小型化。

Description

一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线

技术领域

本发明属于卫星导航天线技术领域，涉及一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线。

背景技术

近年来，全球导航卫星系统GNSS正在迅速的发展，如较为成熟的GPS系统和我国自主研发的北斗导航系统。在设计这些导航系统的手持接收设备时，较小的接收天线有利于整个系统的小型化设计。其中，四臂螺旋天线由于其较宽的频带，轴向辐射的方向图，较好的轴比特性，圆极化特性，被广泛的应用于各种卫星导航系统中。又由于印刷电路技术的成熟，出现了各种柔性可印刷材料，使得四臂螺旋天线的加工问题得以解决，因而有利于这种天线的设计改进。要获取更大的带宽，则需要在天线臂上有更多的频率成分，这需要天线臂的长度较长。通常四臂螺旋天线的天线臂被设定为N(整数)倍的四分之波长，在一定长度范围内，N越大，则带宽就越大。所以为了获取较大的带宽，N往往取值都在3以上，但是这样做所导致的结果就是天线的轴向长度过长。

发明内容

本发明的目的是提供一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，通过折臂处理，介质加载，短路加载的方式实现了四臂螺旋天线体积小型化。

本发明所采用的技术方案是，一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，包括介质圆柱和均匀旋转设置在介质圆柱上的四个天线臂组，每个天线臂组均包括从介质圆柱底部向上倾斜延伸至介质圆柱顶部的且彼此平行设置的第一天线臂、第二天线臂和第三天线臂，第一天线臂和第二天线臂位于介质圆柱顶部的一端第一连接器连接，第二天线臂和第三天线臂位于介质圆柱底部的一端通过第二连接器连接，第二连接器上设置有第一短路口，第一天线臂位于介质圆柱底部的一端连接有第一馈电端口。

本发明的特征还在于，

介质圆柱侧面覆盖有一层柔性材料层，四个天线臂组均匀旋转设置在柔性材料层上。

介质圆柱由氧化铝微波陶瓷制成，其介电常数为9.5，柔性材料层为聚酰亚胺柔性材料制成，其介电常数为4。

介质圆柱为中空的圆柱体。

介质圆柱的高度h1为24mm±0.1mm，直径D1为18mm±0.1mm，中空的直径为12mm±0.1mm。

四个天线臂组的四个第一馈电端口在介质圆柱的俯视圆周上饶顺时针相位依次滞后90°。

介质圆柱设置在第一介质板上，第一介质板上与第一短路口以及第一馈电端口对应处分别设置有第二短路口以及第二馈电端口。

第一介质板的上表面和下表面分别设置有反射层和公共地层，介质圆柱设置在该反射层上，反射层四周均匀设置有四个开口，公共地层的四周与反射层的开口的对应处也设置有开口。

第一介质板上还均匀设置有四个螺孔，第一介质板的介电常数为4.3。

反射层上与四个天线臂组对应处开设有四个通槽。

第二馈电端口内插设有馈电探针，馈电探针还与该第二馈电端口对应的第一馈电端口焊接，第一短路口和与其对应设置的第二短路口通过金属焊接连接。

本发明的有益效果是：

本发明通过折臂处理，介质加载，短路加载的方式对四臂螺旋天线进行了小型化设计，天线轴向长度仅有24mm，直径18mm，有着极小的体积，并有着95MHz的工作带宽，可以工作在北斗B2(1207.14±2.046MHz)，B3(1268.52±10.23MHz)，GPS的L2(1227.6±10.23MHz)波段，在方向图上呈上半球的辐射方向图，顶部增益在3dB以上，半功率波瓣宽度为120度。

附图说明

图1是本发明一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线的结构示意图；

图2是本发明四个天线臂组的展开图；

图3是本发明反射层的结构示意图；

图4是本发明公共地层的结构示意图；

图5是本发明介质板的结构示意图；

图6是本发明实施例中小型化双折臂四臂螺旋天线工作的S11参数图；

图7是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1207MHz时的E面方向图；

图8是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1227MHz时的E面方向图；

图9是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1268MHz时的E面方向图；

图10是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线分别在1207MHz，1227MHz和1268MHz时的轴比情况图。

图中，1.介质圆柱，2.开口，3.柔性材料层，4.天线臂组，5.第一馈电端口，6.第一短路口，7.反射层，8.第一介质板，9.公共地层，10.第二介质板，11.馈电电路，12.第一天线臂，13.第二天线臂，14.第三天线臂，15.第一连接器，16.第二连接器，17.通槽，18.螺孔；

5-1.第二馈电端口，6-1.第二短路口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，如图1所示，包括介质圆柱1和均匀旋转设置在介质圆柱1上的四个天线臂组4，如图2所示，每个天线臂组均包括从介质圆柱1底部向上倾斜延伸至介质圆柱1顶部的且彼此平行设置的第一天线臂12、第二天线臂13和第三天线臂14，第一天线臂12和第二天线臂13位于介质圆柱1顶部的一端第一连接器15连接，第二天线臂13和第三天线臂14位于介质圆柱1底部的一端通过第二连接器16连接，第二连接器16上设置有第一短路口6，第一天线臂12位于介质圆柱1底部的一端连接有第一馈电端口5。

本发明的第二天线臂13位于第一天线臂12延介质圆柱1圆柱旋转13°的位置，第三天线臂14位于第一天线臂12延介质圆柱1圆柱旋转36°的位置。

介质圆柱1侧面覆盖有一层柔性材料层3，四个天线臂组4均匀旋转设置在柔性材料层3上。

介质圆柱1由氧化铝微波陶瓷制成，其介电常数为9.5，柔性材料层3为聚酰亚胺柔性材料制成，其介电常数为4。

介质圆柱1为中空的圆柱体。

介质圆柱1的高度h1为24mm±0.1mm，直径D1为18mm±0.1mm，中空的直径为12mm±0.1mm。

四个天线臂组4的四个第一馈电端口5在介质圆柱1的俯视圆周上饶顺时针相位依次滞后90°。

如图3-图5所示，介质圆柱1设置在第一介质板8上，第一介质板8上与第一短路口6以及第一馈电端口5对应处分别设置有第二短路口6-1以及第二馈电端口5-1。

第一介质板8的上表面和下表面分别设置有反射层7和公共地层9，介质圆柱1设置在该反射层7上，反射层7四周均匀设置有四个开口2，公共地层9的四周与反射层7的开口2的对应处也设置有开口2，开口2的设置是为了避免短路。

本发明的第一介质板8的下层公共地层9下方设置有第二介质板10，第二介质板10的底部设置有馈电电路11，第一介质板8和第二介质板10均为FR4板材，介电常数均为4.3，第一介质板8、第二介质板10、反射层7以及公共地层9的直径D2均为30mm±0.1mm，第一介质板8的厚度h2为2mm±0.01mm，第二介质板10的厚度h3为1mm±0.01mm。

本发明第一馈电端口5以及第一短路口6的直径r1和r2均为0.9mm±0.01mm，两者之间的角度θ2为29°±0.1°。

通槽17的宽度t3为1.6mm±0.01mm，缝隙角度θ1为41°±0.1°。

第一介质板8上还均匀设置有四个螺孔18，第一介质板8的介电常数为4.3，螺孔18的直径r3为3mm±0.01mm。

反射层7上与四个天线臂组4对应处开设有四个通槽17。

第二馈电端口5-1内插设有馈电探针，馈电探针还与该第二馈电端口5-1对应的第一馈电端口5焊接，第一短路口6和与其对应设置的第二短路口6-1通过金属焊接连接。

本发明柔性材料层3的厚度为0.06mm±0.01mm。

本发明的反射层7以及公共地层9均为金属，金属可以镀铜，金，镍等良导体。反射层7上留出四个通槽17给天线臂组一定的空间，防止短路，公共地层9为地。

本发明第一天线臂12、第二天线臂13和第三天线臂14的宽度t为1.26mm±0.01mm，高度为h1为24mm±0.1mm，长度L为27.9±0.01mm；第一连接器15与第二连接器16宽度w1和w2均为1mm±0.01mm；第一连接器15长度a1为3.3mm±0.01mm，第二连接器16长度a2为4.9mm±0.01mm，第一天线臂12与第二天线臂13之间的缝隙宽度b1为0.8mm±0.01mm，第二天线臂13与第三天线臂14之间的缝隙宽度b2为2.35mm±0.01mm；每个天线臂组4之间的距离m为7.2mm±0.01mm。

本发明一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线的工作原理：本发明基于标准的四臂螺旋天线，利用了三种方法，将其小型化。首先是将天线臂进行两次折叠，形成“S”状，以此缩短天线的轴向长度，再在螺旋臂内加载介电常数相对较高的介质，即介质加载，进一步缩小电长度，对天线进行小型化，最后在天线臂上特定位置进行短路处理，以此调整天线的阻抗匹配，使其拥有95MHz的工作带宽，最后确定天线臂的旋转方向和四个馈电口的相位差来实现右旋圆极化。

实施例

如图1所示，介质圆柱1的介电常数为9.5，内部中空的内径为12mm，将印制着天线臂组4的柔性材料层3包裹在介质圆柱1的侧面，柔性材料的介电常数为4，厚度0.06mm；

如图3、图4所示，制作反射层7，第一介质板8，公共地层9，其中第一介质板8的介电常数为4.3，厚度2mm。

如图1和图3以及图4所示，第一介质板8上的馈电端口5-1的位置，插入馈电探针，并与如图2所示的第一天线臂12底部的第一馈电端口5焊接在一起；然后利用一段金属，参考图2和图3中第二连接器16的位置将第一短路口6和第二短路口6-1以同样的方法焊接在一起，至此焊接完全部四个馈电端口和四个短路口，使得介质圆柱1和第一介质板8可以连接在一起，馈电电路11需保证从图1俯视图看四个馈电端口5输入电压相位以顺时针依次滞后90度即可，图5为介质板8的示意图。

图6为天线工作的S11参数，带宽覆盖了1184MHz～1282MHz,约98MHz的带宽，可以包含北斗B2，B3，GPS的L2，GLONASS的L2，和Galileo的E5b波段。

图7是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1207MHz时的E面方向图；

图8是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1227MHz时的E面方向图；图9是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线在1268MHz时的E面方向图。从图中可以看出，该天线的辐射方向为上半球面，顶部增益均大于3dB，最高可以达到3.8dB，半功率波瓣宽度均大于120度。有着良好的方向性。

图10是本发明小型化双折臂四臂螺旋天线分别在1207MHz，1227MHz和1268MHz时的轴比情况。三者均在-50°～+50°时小于3dB。

本发明的，一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，将传统的四臂螺旋天线进行两次折臂，并结合介质加载和短路加载，做到体积更小，并有着足够的带宽，右旋圆极化，可以包含北斗B2(1207.14±2.046MHz)，B3(1268.52±10.23MHz)，GPS的L2(1227.6±10.23MHz),GLONASS的L2(1246.437±4MHz),Galileo的E5b(1207.140±1.023MHz)波段。

Claims (10)

1.一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，包括介质圆柱(1)和均匀旋转设置在介质圆柱(1)上的四个天线臂组(4)，其特征在于，每个天线臂组均包括从介质圆柱(1)底部向上倾斜延伸至介质圆柱(1)顶部的且彼此平行设置的第一天线臂(12)、第二天线臂(13)和第三天线臂(14)，所述第一天线臂(12)和第二天线臂(13)位于介质圆柱(1)顶部的一端第一连接器(15)连接，所述第二天线臂(13)和第三天线臂(14)位于介质圆柱(1)底部的一端通过第二连接器(16)连接，所述第二连接器(16)上设置有第一短路口(6)，所述第一天线臂(12)位于介质圆柱(1)底部的一端连接有第一馈电端口(5)。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质圆柱(1)侧面覆盖有一层柔性材料层(3)，所述四个天线臂组(4)均匀旋转设置在柔性材料层(3)上。

3.根据权利要求2所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质圆柱(1)为中空的圆柱体，介质圆柱(1)由氧化铝微波陶瓷制成，其介电常数为9.5，所述柔性材料层(3)为聚酰亚胺柔性材料制成，其介电常数为4。

4.根据权利要求3所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质圆柱(1)的高度h1为24mm±0.1mm，直径D1为18mm±0.1mm，中空的直径为12mm±0.1mm。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述四个天线臂组(4)的四个第一馈电端口(5)在介质圆柱(1)的俯视圆周上饶顺时针相位依次滞后90°。

6.根据权利要求5所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质圆柱(1)设置在第一介质板(8)上，所述第一介质板(8)上与所述第一短路口(6)以及第一馈电端口(5)对应处分别设置有第二短路口(6-1)以及第二馈电端口(5-1)。

7.根据权利要求6所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一介质板(8)的上表面和下表面分别设置有反射层(7)和公共地层(9)，所述介质圆柱(1)设置在该反射层(7)上，所述反射层(7)四周均匀设置有四个开口(2)，所述公共地层(9)的四周与所述反射层(7)的开口(2)的对应处也设置有开口(2)。

8.根据权利要求7所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述第一介质板(8)上还均匀设置有四个螺孔(18)，第一介质板(8)的介电常数为4.3。

9.根据权利要求8所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述反射层(7)上与四个天线臂组(4)对应处开设有四个通槽(17)。

10.根据权利要求8所述的一种卫星导航接收用小型化双折臂四臂螺旋天线，其特征在于，所述第二馈电端口(5-1)内插设有馈电探针，所述馈电探针还与该第二馈电端口(5-1)对应的所述第一馈电端口(5)焊接，所述第一短路口(6)和与其对应设置的第二短路口(6-1)通过金属焊接连接。