CN110247169B - 一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，具体包括柔性介质板，螺旋天线组件、地板和馈电结构；所述柔性介质板包括空心圆环型柔性板和空心圆柱型柔性板，所述螺旋天线组件包括印刷在空心圆环型柔性板内壁上的四对金属带条、印刷在空心圆柱型柔性板外壁上的四对双带条螺旋臂和印刷在空心圆柱型柔性板外壁的四对连接点；所述金属带条包括高频金属带条和低频金属带条，所述双带条螺旋臂包括高频螺旋臂和低频螺旋臂，所述连接点包括馈电点和接地点，所述馈电结构为四个，所述每个馈电结构均包括内导体和外导体。

Description

一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有全时空、全天候、高精度、连续实施地提空导航、定位和授时的特点，在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用。通常，GNSS终端天线由螺旋天线、微带天线或交叉偶极子天线构成。其中四臂螺旋天线由于具有较好的圆极化特性而被广泛应用。
近年来，随着高精度无人机和移动测量设备的迅速发展，要求导航系统具有定位准确和搜星能力强的特性。其中，搜星能力是一项重要的指标，决定了导航系统的定位精度。而该性能的实现依赖于具有宽波束特性的圆极化天线。天线能够接收到的导航信号越多，其定位精度越准确。所谓宽波束包括半功率波束宽度和轴比波束宽度。前者决定了天线在接收高仰角卫星信号的同时能否接收到低仰角方向上的卫星信号；后者可以有效提高圆极化天线工作的质量，保证天线在宽角范围内接收信号的稳定性，从而实现高精度、实时定位。然而，目前大多高精度导航天线均存在体积和重量较大的不足，不适用于无人机和便携设备。而小型轻量化的导航天线又难以实现较优的宽波束性能。为此，有必要提出一种体积小，重量轻，宽波束的导航天线。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，具体技术方案是包括柔性介质板，螺旋天线组件、地板和馈电结构；
所述柔性介质板包括空心圆环型柔性板和空心圆柱型柔性板，所述螺旋天线组件包括印刷在空心圆环型柔性板内壁上的四对金属带条、印刷在空心圆柱型柔性板外壁上的四对双带条螺旋臂和印刷在空心圆柱型柔性板外壁的四对连接点；所述金属带条包括高频金属带条和低频金属带条，所述双带条螺旋臂包括高频螺旋臂和低频螺旋臂，所述连接点包括馈电点和接地点，所述馈电结构为四个，所述每个馈电结构均包括内导体和外导体；
所述双带条螺旋臂沿+Z轴方向顺时针螺旋上升缠绕空心圆柱型柔性板设置，所述双带条螺旋臂为由阶梯阻抗线实现；所述高频金属带条与高频螺旋臂在空心圆柱型柔性板的顶部位置相连接，所述低频金属带条与低频螺旋臂在空心圆柱型柔性板的顶部位置相连接；
所述连接螺旋天线组件通过馈电点与内导体相连接，所述螺旋天线组件通过接地点与地板相连接，所述馈电点位于高频螺旋臂的下方，所述接地点位于低频螺旋臂的下方。
所述馈电结构的外导体与地板相连接，所述馈电结构的四个馈电内导体间输入信号相位差为90°。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，具有以下优点：通过采用阶梯阻抗型双带条螺旋臂结构实现了双频通信的效果，因此可以兼容GPS、北斗、伽利略等多个定位导航系统；通过在天线顶部采用弯曲型辐射臂结构，在大幅减小天线体积的同时，获得了较宽的半功率波束和3-dB轴比波束；通过采用四臂螺旋结构，获得了较稳定的圆极化特性。
附图说明
图1为本发明所述四臂螺旋天线结构示意图。
图2为本发明所述四臂螺旋天线在A-A’处的剖视图。
图3为本发明所述空心圆柱型柔性板侧面展开图。
图4为本发明所述空心圆环型柔性板的展开图。
图5位本发明所述四臂螺旋天线的S11曲线。
图6为本发明所述四臂螺旋天线在1.227GHz处的辐射方向图。
图7为本发明所述四臂螺旋天线在1.227GHz处的轴比曲线。
图8为本发明所述四臂螺旋天线在1.575GHz处的辐射方向图。
图9为本发明所述四臂螺旋天线在1.575GHz处的轴比曲线。
图中：1、柔性介质板，11、空心圆环型柔性板，12、空心圆柱型柔性板，2、螺旋天线组件，21、四对金属带条，211、高频金属带条，212、低频金属带条，22、双带条螺旋臂，221、高频螺旋臂，222、低频螺旋臂，23、连接点，231、馈电点，232、接地点，3、地板，4、馈电机构，41、馈电内导体，42、外导体。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示，本发明公开了一种双频宽波束宽轴比卫星导航天线，包括柔性介质板1、螺旋天线组件2、地板3和馈电结构4。
本发明采用的技术指标如下：
工作频率：1.227GHz，1.575GHz
极化方式：右旋圆极化
天线增益：≥4dB
半功率波束宽度：≥115°
轴比波束宽度：1.227GHz，≥160°；1.575GHz，≥120°
柔性介质板1厚度为0.2mm，由空心圆环型柔性板11与空心圆柱型柔性板12组成；所述螺旋天线组件2由印刷在空心圆环型柔性板11内壁的四对金属带条21、印刷在空心圆柱型柔性板12外壁的四对双带条螺旋臂22和印刷在空心圆柱型柔性板12外壁的四对连接点23构成；所述金属带条21包括高频金属带条211和低频金属带条212，所述双带条螺旋臂22包括高频螺旋臂221和低频螺旋臂222；所述连接点23包括馈电点231和接地点232；所述馈电结构4有四个，均由内导体41和外导体42构成；
双带条螺旋臂22沿+Z轴方向按顺时针螺旋上升缠绕空心圆柱型柔性板12，所述双带条螺旋臂22为由阶梯阻抗线实现；所述高频金属带条211与高频螺旋臂221在空心圆柱型柔性板12顶部相连，所述低频金属带条212与低频螺旋臂222也在空心圆柱型柔性板12顶部相连。
馈电点231用于连接螺旋天线组件2和内导体41，所述接地点232用于连接螺旋天线组件2和地板3；所述馈电点231位于高频螺旋臂221下方，所述接地点232位于低频螺旋臂222下方。
馈电结构4的外导体42与地板3连接，所述馈电结构4的四个馈电内导体41间输入信号相位相差为90°。
如图2所示，空心圆柱型柔性板12半径r0为10mm，空心圆环型柔性板11在A-A’处为一段半径r1为5.5mm，圆心角α为195°的一段圆弧，其切线与空心圆柱型板12顶部所成夹角β为15°。
图3为空心圆柱型柔性介质板12展开图，双带条螺旋臂22按图3所示规律排布于空心圆柱介质板12上。图4为空心圆环型柔性板11展开图，其内圆半径R1为10mm，外圆半径R2为28.7mm，印刷在空心圆环型柔性板11上的高频金属带条211以及低频金属带条212与双带条螺旋臂22在空心圆柱型柔性介质板顶部相连。
如图5所示，本发明提出的双频宽波束宽轴比四臂螺旋天线在1.227GHz与1.575GHz频段内匹配良好。
如图6所示，本发明提出的双频宽波束宽轴比四臂螺旋天线在1.227GHz频点时最大增益为4dB，xoz面内半功率波束宽度为120°，yoz面内半功率波束宽度为120°。说明本发明提出的天线在1.227GHz频点下可以接收较宽角度内的卫星信号。
如图7所示，本发明提出的双频宽波束宽轴比四臂螺旋天线在1.227GHz频点时xoz面内轴比波束宽度为166°，在yoz面内轴比波束宽度为166.74°。说明本发明提出的天线在1.227GHz频点下可以接收较宽角度内的圆极化信号。
如图8所示，在1.575GHz频点时最大增益为5dB，xoz面内半功率波束宽为118°，yoz面内半功率波束宽度为120°。说明本发明提出的天线在1.575GHz频点下可以接收较宽角度内的卫星信号。
如图9所示，本发明提出的双频宽波束宽轴比四臂螺旋天线在1.575GHz频点时xoz面内轴比波束宽度为126°，yoz面内轴比波束宽度为124°。说明本发明提出的天线在1.575GHz频点下可以接收较宽角度内的圆极化信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，其特征在于包括：柔性介质板(1)、螺旋天线组件(2)、地板(3)和馈电结构(4)；
所述柔性介质板(1)包括空心圆环型柔性板(11)和空心圆柱型柔性板(12)，所述螺旋天线组件(2)包括印刷在空心圆环型柔性板(11)内壁上的四对金属带条(21)、印刷在空心圆柱型柔性板(12)外壁上的四对双带条螺旋臂(22)和印刷在空心圆柱型柔性板(12)外壁的四对连接点(23)；所述金属带条(21)包括高频金属带条(211)和低频金属带条(212)，所述双带条螺旋臂(22)包括高频螺旋臂(221)和低频螺旋臂(222)，所述连接点(23)包括馈电点(231)和接地点(232)，所述馈电结构(4)为四个，所述每个馈电结构(4)均包括内导体(41)和外导体(42)；
所述双带条螺旋臂(22)沿+Z轴方向顺时针螺旋上升缠绕空心圆柱型柔性板(12)设置，所述双带条螺旋臂(22)为由阶梯阻抗线实现；所述高频金属带条(211)与高频螺旋臂(221)在空心圆柱型柔性板(12)的顶部位置相连接，所述低频金属带条(212)与低频螺旋臂(222)在空心圆柱型柔性板(12)的顶部位置相连接；
所述空心圆环型柔性板(11)环绕空心圆柱型柔性板(12)设置，所述空心圆环型柔性板(11)在空心圆柱型柔性板(12)的中心线所在截面上为一段半径为r1、圆心角为α的圆弧。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，其特征在于：所述连接螺旋天线组件(2)通过馈电点(231)与内导体(41)相连接，所述螺旋天线组件(2)通过接地点(232)与地板(3)相连接，所述馈电点(231)位于高频螺旋臂(221)的下方，所述接地点(232)位于低频螺旋臂(222)的下方。
3.根据权利要求1所述的一种具有宽波束特性的双频四臂螺旋天线，其特征在于：所述馈电结构(4)的外导体(42)与地板(3)相连接，所述馈电结构(4)的四个馈电内导体(41)间输入信号相位差为90°。
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Assignee: Dalian Qingyang Zhicheng Technology Co.,Ltd.

Assignor: Dalian Maritime University

Contract record no.: X2023210000264

Denomination of invention: A dual frequency four arm spiral antenna with wide beam characteristics

Granted publication date: 20200728

License type: Common License

Record date: 20231130