CN110313104B - 螺旋天线及通信设备 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种螺旋天线及通信设备，所述螺旋天线包括介质筒、馈电基板以及多个辐射振子。所述介质筒承载于所述馈电基板上，多个所述辐射振子螺旋设于所述介质筒的外表面。每个所述辐射振子包括第一螺旋臂、第二螺旋臂以及寄生臂，所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂长度不同并间隔设置。通过所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂能够接收或者发送不同频率的信号，实现所述螺旋天线的多系统覆盖。所述寄生臂与所述第二螺旋臂的延伸方向相同并耦合，以通过所述寄生臂与所述第二螺旋臂的耦合能够加大所述第二螺旋臂对应的频段信号的展宽，以得到更好的信号质量。
Description
技术领域
本申请涉及通信天线技术领域，具体涉及一种螺旋天线及通信设备。
背景技术
随着信息化时代的来临，卫星通信、导航、定位及其相关应用与人们的生活日益相关。随着卫星导航应用的普及，许多国家出于国防或经济上的考虑，都相继研发、建设自己的导航系统。而随着系统并存、兼容与互操作的进程加快，传统的GPS时代正逐步转变为多系统(GPS、GLONASS、BeiDou)共存兼容的全球导航卫星系统时代，因此开发多系统覆盖的定位天线是必要的。
目前的定位天线主要为单频天线且频带较窄，难以满足多系统覆盖的要求。
发明内容
本申请提供一种能够覆盖多系统的螺旋天线，以及包括所述螺旋天线的通信设备。
所述螺旋天线包括介质筒、馈电基板以及多个辐射振子；所述介质筒承载于所述馈电基板上，多个所述辐射振子螺旋设于所述介质筒的外表面，所述馈电基板上设有馈电端口，每个所述辐射振子包括第一螺旋臂、第二螺旋臂以及寄生臂，所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂长度不同并间隔设置，且所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂电连接至所述馈电端口；所述寄生臂与所述第二螺旋臂的延伸方向相同并耦合。
所述通信设备包括所述螺旋天线。
本申请提供的所述螺旋天线，通过将多个辐射振子螺旋设于所述介质筒外表面，相较于线天线等普通天线来说，在保持辐射振子的长度不变的情况下，能够大大的减小天线的体积。并且，所述辐射振子包括长度不同的第一螺旋臂及第二螺旋臂，通过所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂能够接收或者发送不同频率的信号，实现所述螺旋天线的多系统覆盖。进一步的，本申请中，所述螺旋天线还包括与所述第二螺旋臂耦合的寄生臂，通过所述寄生臂与所述第二螺旋臂的耦合能够加大所述第二螺旋臂对应的频段信号的展宽，以得到更好的信号质量。
附图说明
图1是本申请一种实施例的螺旋天线的立体结构示意图。
图2是本申请另一种实施例的螺旋天线的立体结构示意图。
图3是本申请一种实施例的寄生臂的平面结构示意图。
图4是本申请另一种实施例的寄生臂的平面结构示意图。
图5是图1所述的螺旋天线的回波损耗(S11)示意图。
图6是图1所述的螺旋天线在1.58GHz处E面总增益方向示意图。
图7是图1所述的螺旋天线在1.58GHz处E面轴比方向示意图。
图8是图1所述的螺旋天线在1.23GHz处E面总增益方向示意图。
图9是图1所述的螺旋天线在1.23GHz处的E面轴比方向示意图。
具体实施例
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本申请实施例提供一种通信设备，包括本申请提供的螺旋天线。通信设备可以为无人机、汽车等。通过使用本申请的螺旋天线的方案，可以使得通信设备具有多频点、宽带宽的特点，可以满足多系统覆盖的要求，定位更精准。
请参阅图1，本申请提供一种螺旋天线100，包括介质筒10、馈电基板20以及多个辐射振子30。所述介质筒10承载于所述馈电基板20上。多个所述辐射振子30均匀螺旋设于所述介质筒10的外表面，即任意相邻的辐射振子30之间的距离相同。相对于线天线等普通天线来说，在保持辐射振子30的长度不变的情况下，通过将所述辐射振子30螺旋设于所述介质筒10表面螺旋设置，能够大大的减小螺旋天线100的体积，以便于推广使用。本实施例中，所述螺旋天线100为四臂螺旋天线，即所述辐射振子30有四个，且四个所述辐射振子30均匀螺旋设置于所介质筒10的外表面。
本申请中的所述螺旋天线100为LDS(Laser-Direct-structuring，激光直接成型)天线，即所述螺旋天线100通过LDS加工工艺得到。具体的，通过模塑成型形成所述介质筒10，再通过激光镭射技术在所述介质筒10上形成辐射振子30。相较于现有技术中先将辐射振子30形成于柔性介质板上，再将柔性介质板弯曲形成空心圆柱的方式来说，所述LDS工艺更加的简单且稳定可靠，且能够容易的将天线加工成任意形状的结构。并且，本实施例中的螺旋天线通过LDS工艺制作，可以采用低于现有技术中的螺旋天线的介电常数更低的介电材料，进而使得相邻的辐射振子30之间距离能够在保证正常信号传输的同时相对于现有技术能够更小，从而进一步的减小螺旋天线100的体积。本实施例中，所述螺旋天线100的介质筒10的介电常数为2.9。可以理解的是，所述介质筒10可以为介电常数为其它的介质材料形成。
本实施中，所述介质筒10为圆台形，即通过以平行于锥形筒的地面的平面部分截去所述锥形筒得到。圆台形的所述介质筒10正设于所述馈电基板20上，即所述介质筒10直径较大的端面与固定于所述馈电基板20上。所述介质筒10包括侧壁11以及位于侧壁11远离所述馈电基板20一侧并与所述侧壁11连接的顶壁12。本实施例中，所述介质筒10的高度为50mm至70mm，直径较大的端面半径为18mm，直径较小的端面的半径为10mm。
可以理解的是，在本申请的其它实施例中，所述介质筒10也可以为圆柱筒。但是，相较于圆柱形的介质筒10来说，本实施例中的圆台形介质筒相较于圆柱形介质筒来说，圆台形介质筒制成的锥形的方向图中E面的天线增益更高一些，具有更好的效果。如设置和圆柱形相同的天线增益，则圆锥形的天线尺寸可以做的更小。
本实施例中，所述馈电基板20为PCB板。所述馈电基板20朝向所述介质筒10的一侧设有天线金属地，所述天线金属地接地。本实施例中，所述天线金属地为设置于所述馈电基板20上的敷铜金属薄片，所述敷铜金属薄片接地。进一步的，所述馈电基板20上设有多个馈电端口22，馈电端口22用于信号传输。本实施中，所述馈电端口22与所述辐射振子30一一对应，为对应的所述辐射振子30输入或者输出信号。具体的，所述馈电端口22与外部器件电连接，外部器件的信号通过馈电端口22传输至所述辐射振子30，并通过所述辐射振子30发送出去；或者，所述辐射振子30接收信号，并将接收到的信号通过所述馈电端口22传输至外部器件。本申请中，四个所述馈电端口22中馈入幅度相同、相位依次相差90°的信号，可使得天线具有心形方向图，良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性，十分适合用作卫星定位系统的接收天线。本实施例中，所述馈电端口22为金属铜柱。
每个所述辐射振子30包括第一螺旋臂31、第二螺旋臂32以及寄生臂33，所述第一螺旋臂31与所述第二螺旋臂32长度不同，从而使得第一螺旋臂31与所述第二螺旋臂32能够并间隔设置，且所述第一螺旋臂31与所述第二螺旋臂32的电连接。本实施例中，所述第一螺旋臂31靠近所述馈电基板20的一端与所述第二螺旋臂32靠近所述馈电基板20的一端通过第一微带线34电连接。所述寄生臂33与所述第一螺旋臂31间隔并与所述第二螺旋臂32耦合，从而拓展所述第二螺旋臂32对应的频段的带宽。本申请中，所述第一螺旋臂31与第二螺旋臂32均电连接至所述馈电端口22，以通过所述馈电端口22馈入或者输出信号。具体的，本申请一实施例中，所述第一螺旋臂31通过第二微带线35与馈电端口22电连接。进一步的，本申请一些实施例中，所述第二螺旋臂32通过第三微带线36与所述天线金属地连接，以使辐射振子30接地。可以理解的是，在本申请其它的一些实施例中，所述辐射振子30也可以不接地。
本实施例中，所述第一螺旋臂31的长度为1/4λ1，其中，λ1为第一信号的波长，以通过所述第一螺旋臂31接收或者发送第一信号。本实施例中，所述第一信号为信号频率为1.58GHz左右的信号。可以理解的是，在本发明的其它实施例中，当所述螺旋天线100需要接收或者发送的第一信号为其它频率的信号时，能够改变所述第一螺旋臂31的长度，以接收信号频率为其它频率的第一信号。所述第二螺旋臂32的长度为1/4λ2，其中，λ2为第二信号波长，以通过所述第二螺旋臂32接收或者发送第二信号。本实施例中，所述第二信号为信号频率为1.23GHz左右的信号，即使得通过所述螺旋天线100的第一螺旋臂31及第二螺旋臂32能够接收或者发射与GPS的L1频段(1.58GHz左右)、L2频段(1.23GHz左右)，GLONASS的L1(1.61GHz左右)、L2频段(1.25GHz左右)，Beidou的B1频段(1.561GHz左右)等相耦合的信号，以使所述螺旋天线100覆盖多系统信号。同样可以理解的是，在本发明的其它实施例中，当所述螺旋天线100需要接收或者发送的第二信号为其它频率的信号时，能够改变所述第二螺旋臂32的长度，以接收信号频率为其它频率的第二信号。并且，所述第一螺旋臂31的两端在所述馈电基板20上的投影与所述馈电基板20的中心的连线的夹角为150°-200°。本实施例中，所述夹角为180°。所述第二螺旋臂的两端在所述馈电基板20上的投影与所述馈电基板20的中心的连线的夹角为70°-110°)，以使得所述螺旋天线100具有较好的圆极化效果。
本实施例中，各所述辐射振子30的所述第一螺旋臂31背离所述馈电基板20的一端相互连接，各所述辐射振子30的所述第二螺旋臂32背离所述馈电基板20的一端均为开放端。本发明一些实施例中，各所述第一螺旋臂31在所述介质筒10的侧壁11螺旋并延伸至介质筒10的顶壁12，并在所述顶壁12上短路连接。具体的，本发明一实施例中，各所述第一螺旋臂31在所述顶壁12上的短路位置为所述顶壁12的中心位置。通过将所述第一螺旋臂31延伸至所述顶壁12，使得在保持所述第一螺旋臂31的长度不变的情况下，能够减小所述螺旋天线100的高度，从而减小其体积。
本申请的其它实施例中，如图2所示，各所述辐射振子30的所述第一螺旋臂31及所述第二螺旋臂32背离所述馈电基板20的一端可以均为开放端。或者，任意两个第一螺旋臂31背离所述馈电基板20的一端短路连接，另外两个背离所述馈电基板20的一端均为开放端。
请重新参阅图1，本申请中，所述寄生臂33的长度及宽度均小于所述第二螺旋臂32，以增加所述第二螺旋臂32的带宽。本申请实施例中，所述寄生臂33为三角形，所述寄生臂33设于所述第二螺旋臂32的一侧，并部分与所述第二螺旋臂32连接，其它部分与第二螺旋臂32间隔。可以理解的是，所述寄生臂33可以完全与所述第二螺旋臂32间隔或者与完全与第二螺旋臂32连接。所述寄生臂33也可以为梯形或者方形等形状，此处不对其形状进行具体限制。
请参阅图3至图4，本申请一些实施例中，所述寄生臂33上设有缝隙331，通过所述缝隙331调整所述寄生臂33与第二螺旋臂32之间的耦合作用，进而调整整体天线的谐振。请参阅图3，所述缝隙331设有所述寄生臂33中间位置。请参阅图4，所述缝隙331可以为一个或者多个，以将所述寄生臂33断开形成包括多个沿所述第二螺旋臂32的延伸方向间隔设置的多个子区段332。
可以理解的是，本申请的一些实施例中，所述寄生臂33也可以为多条，多条所述寄生臂33在垂直于第二螺旋臂32延伸方向上设置，以通过多条寄生臂33的共同作用实现对天线整体进行调谐作用，便于拓展带宽。并且，最靠近所述第二螺旋臂32的一条所述寄生臂33可与第二螺旋臂32部分贴合或者间隔设置，其它的与所述第二螺旋臂32间隔。
进一步的，本申请的一些实施例中，所述螺旋天线100还包括设于所述介质筒10与所述馈电基板20之间的圆台40，所述第一微带线34、第二微带线35及第三微带线36均设于所述圆台40的外壁，从而减少所述第一微带线34、第二微带线35及第三微带线36等非辐射部分对第一螺旋臂31、第二螺旋臂32和寄生臂33的干扰。可以理解的是，本申请的一些实施中，所述第一微带线34、第二微带线35及第三微带线36等非辐射部分也可以直接设置与所述介质筒10的表面。
本申请提供的所述螺旋天线100，通过将多个辐射振子30螺旋设于所述介质筒10的外表面，相较于线天线等普通天线来说，在保持辐射振子30的长度不变的情况下，能够大大的减小天线的体积。并且，所述辐射振子30包括长度不同的第一螺旋臂31及第二螺旋臂32，通过所述第一螺旋臂31与所述第二螺旋臂32能够接收或者发送不同频率的信号，实现所述螺旋天线100的多系统覆盖。进一步的，本申请中，所述螺旋天线100还包括与所述第二螺旋臂32耦合的寄生臂33，通过所述寄生臂33与所述第二螺旋臂32的耦合能够加大所述第二螺旋臂32对应的频段信号的展宽，以得到更好的信号质量。
下面提供一种实施例的天线的仿真结果，以说明本申请的技术方案的有益效果。
请参阅图5，图5为所述螺旋天线100的回波损耗(S11)示意图，图中横坐标为频率(GHz)，纵坐标为S11参数(dB)。通过对所述螺旋天线100在不同频率的通信信号的S11值进行测试可知，所述螺旋天线100在1.2224-1.2585GHz及1.5471-1.6112GHz下实现了S11<-10dB，即说明螺旋天线100在1.23GHz左右及1.58GHz左右具有较好的匹配特性，实现较好的双频匹配特性，能够很好的接收或者发送频率为1.23GHz左右以及1.58GHz左右的信号，能够实现多系统覆盖。并且，对应于1.2224-1.2585GHz及1.5471-1.6112GHz两个频段下的带宽均较宽，满足实际应用的需求。
请参阅图6，图6为所述螺旋天线100在1.58GHz处E面总增益方向图，图中横坐标为Theta角(deg)，纵坐标为总增益GainTotal(dB)。通过对螺旋天线100在1.58GHz处各角度的E面总增益进行测试可知，螺旋天线100在1.58GHz的E面总增益达到4.9887dB，具有良好的信号质量。并且，在0°位置实现最大增益，即螺旋天线100在垂直方向上具有增益最大，满足定位天线的要求。
请参阅图7，图7为螺旋天线100在1.58GHz处的E面轴比方向图。图中横坐标为Theta角(deg)，纵坐标为轴比Axial Ratio Value(dB)。从图中可知，在最大增益方向上(本实施例为0°位置)，轴比为0.1013dB，即说明所述螺旋天线100具有良好的圆极化特性。
请参阅图8，图8为螺旋天线100在1.23GHz处E面总增益方向图，横坐标为Theta角(deg)，纵坐标为总增益GainTotal(dB)。从图中可知，螺旋天线100在1.23GHz处增益达到3.17dB，说明螺旋天线100对于1.23GHz左右的信号能够接收或者辐射产生良好的信号质量。
请参阅图9，图9为螺旋天线100在1.23GHz处的E面轴比方向图，横坐标为Theta角(deg)，纵坐标为轴比Axial Ratio Value(dB)。通过对螺旋天线100在1.23GHz处各角度的轴比进行测试可知，从图中可知，在最大增益方向上(本实施例为0°位置)，轴比为0.0720dB，即说明所述螺旋天线100具有良好的圆极化特性。
上述各个仿真图中，E面是指与电场方向平行的天线方向图的切面。由上述仿真结果可知，本申请实施例提供的四臂螺旋天线具有高增益、高效率、低轴比和圆极化好的特点，可覆盖GPS的L1、L2，GLONASS的L1、L2，北斗的B1、B2频段，满足多系统覆盖的要求。并且，对应于不同的频段的带宽均较宽，满足实际应用需求。
以上对本申请实施例所提供的一种四臂螺旋天线及通信设备进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (12)
1.一种螺旋天线，其特征在于，包括介质筒、馈电基板以及多个辐射振子；所述介质筒承载于所述馈电基板上，多个所述辐射振子螺旋设于所述介质筒的外表面，所述馈电基板上设有馈电端口，每个所述辐射振子包括第一螺旋臂、第二螺旋臂以及寄生臂，所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂长度不同并间隔设置，且所述第一螺旋臂与所述第二螺旋臂电连接至所述馈电端口；所述寄生臂与所述第二螺旋臂的延伸方向相同并耦合；各个所述辐射振子的所述第二螺旋臂接地，所述第一螺旋臂的一端与所述第二螺旋臂的一端通过第一微带线电连接，并且所述第一螺旋臂通过第二微带线连接至所述馈电端口；所述第二螺旋臂通过第三微带线接地，所述螺旋天线还包括设于所述介质筒与所述馈电基板之间的圆台，所述第一微带线、第二微带线及第三微带线均设于所述圆台的外壁；所述寄生臂为多条，多条所述寄生臂沿垂直于第二螺旋臂延伸方向上依次设置，最靠近所述第二螺旋臂的所述寄生臂与所述第二螺旋臂部分贴合或者间隔设置，且最靠近所述第二螺旋臂的所述寄生臂与所述第二螺旋臂耦合，其它的所述寄生臂之间间隔设置且能够相互耦合。
2.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，多个所述辐射振子的所述第一螺旋臂背离所述馈电基板的一端相互连接，多个所述辐射振子的所述第二螺旋臂背离所述馈电基板的一端均为开放端。
3.如权利要求2所述的螺旋天线，其特征在于，所述介质筒包括侧壁及位于所述侧壁远离所述馈电基板一侧并与所述侧壁连接的顶壁，所述辐射振子螺旋设于所述侧壁上，所述辐射振子的第一螺旋臂背离所述馈电基板的一端向所述顶壁延伸并在所述顶壁上相互连接。
4.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，多个所述辐射振子的所述第一螺旋臂及所述第二螺旋臂背离所述馈电基板的一端均为开放端。
5.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，所述介质筒为圆台形。
6.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，所述寄生臂的长度及宽度均小于所述第二螺旋臂。
7.如权利要求1至6任一项所述的螺旋天线，其特征在于，所述寄生臂包括沿所述第二螺旋臂的延伸方向间隔设置的多个子区段。
8.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，所述螺旋天线为LDS工艺制成的LDS天线。
9.如权利要求1的所述的螺旋天线，其特征在于，所述第一螺旋臂的两端在所述馈电基板上的投影与所述馈电基板的中心的连线的夹角为150°-200°。
10.如权利要求1或9的所述的螺旋天线，其特征在于，所述第二螺旋臂的两端在所述馈电基板上的投影与所述馈电基板的中心的连线的夹角为70°-110°。
11.如权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，所述第一螺旋臂的长度为1/4λ1，其中，λ1为1.58GHz频率的信号的波长；所述第二螺旋臂的长度为1/4λ2，其中，λ2为1.23GHz频率的信号的波长。
12.一种通信设备，其特征在于，包括如权利要求1至11任一项所述的螺旋天线。
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