CN110600865A - 一种高增益小型化的螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高增益小型化的螺旋天线，所述高增益小型化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；所述螺旋天线包括锥型结构的螺旋线、第一金属板、第二金属板、耦合馈电电容；所述第二金属板的顶部与耦合馈电电容的底部连接；所述耦合馈电电容的顶部与第一金属板的底部连接；所述螺旋线与第一金属板的顶部设置连接；所述第二金属板设有第一通孔，所述耦合馈电电容设有第二通孔，所述内导体穿过所述第二金属板的第一通孔、耦合馈电电容的第二通孔与第一金属板的底部连接，实现射频信号通过耦合馈电电容以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电；所述外导体与第二金属板的底部连接，使得第二金属板成为天线的接地板。

Description

一种高增益小型化的螺旋天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，更具体的，涉及一种高增益小型化的螺旋天线。

背景技术

随着无线移动通信的不断发展，通信设备对全向辐射、高增益、小型化的天线需求越来越大，在所有的全向辐射天线种类中，法向模式辐射的螺旋天线得到广大研究人员的关注。螺旋天线可以工作于轴向模式(定向辐射)、法向模式(全向辐射)，根据理论知识可以选定尺寸限制范围，使得螺旋天线工作于法向模式。螺旋天线的辐射体为具有螺旋形状且导电性能良好的金属线，通常螺旋天线的信号由同轴端口馈电，同轴线的内导体直接连接螺旋线导体，而外导体与接地平面连在一起。螺旋天线结构简单，制作成本低，具备全向辐射的模式性能。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。针对该设计，采用法向模螺旋天线实现在水平面全向辐射，在接地板法线方向低辐射。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。但是随着社会的不断发展，生产需求要求螺旋天线必须做到足够小型化从而可以进行内置，并且在小型化天线尺寸的同时，保持天线的高增益辐射性能，不能更改螺旋天线的全向辐射模式，总而言之，在要求高度小型化的同时，必须保持高增益、高效率、全向辐射。

现有技术之一，如图1所示，该设计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，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0.122λ₀(λ₀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。匹配网络参考图2。

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，市场要求高度在谐振频率真空波长的0.015倍以下；(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，难度非常高，加工误差较大。

现有技术之二，如图3所示，该结构采用的技术为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，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。

现有技术之二存在的缺点如下：

(1)铁氧体材料参数的选择及其苛刻；加载铁氧体后实验测试变得复杂化，需要进一步调试铁氧体的参数，铁氧体的一些测试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

本发明为了解决现有天线技术中，无法在将天线小型化的同时保持天线高增益的问题，提供一种高增益小型化的螺旋天线，其能同时满足天线尺寸小型化的同时保持高增益辐射。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种高增益小型化的螺旋天线，所述高增益小型化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；所述的螺旋天线包括锥型结构的螺旋线、第一金属板、第二金属板、耦合馈电电容；所述第二金属板的顶部与耦合馈电电容的底部连接；所述耦合馈电电容的顶部与第一金属板的底部连接；所述螺旋线与第一金属板的顶部设置连接；所述第二金属板设有第一通孔，所述耦合馈电电容设有第二通孔，所述内导体穿过所述第二金属板的第一通孔、耦合馈电电容的第二通孔与第一金属板的底部连接，实现射频信号通过耦合馈电电容以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电；所述外导体与第二金属板的底部连接，使得第二金属板成为天线的接地板。

优选地，所述锥型结构的螺旋线设置接近第一金属板的一端的外径向远离第一金属板的一端的外径逐渐等值变小，所述螺旋线采用的金属导体线径为1mm。

进一步地，设置接近第一金属板一端的螺旋线的外径为23mm，设置远离第一金属板一端的螺旋线的外径为11.52mm；所述螺旋线的高度为10mm，匝数为3.94。

优选地，所述第一金属板设置为圆形板状结构，其直径为27mm，厚度为0.035mm。

优选地，所述耦合馈电电容设置为圆形板状结构，其对应的直径为27mm，厚度为0.6mm。

进一步地，所述耦合馈电电容采用的电介质的介电常数为8.84，损耗正切值为0.002。

优选地，所述第二金属板设置为圆形板状结构，其对应的直径为60mm，厚度为1mm。

进一步地，所述螺旋线、第一金属板、第二金属板均采用金属铁材料。

优选地，所述的同轴馈电线采用50欧姆射频同轴接头，其端口处输入的阻抗为42.94-j*2.34欧姆。

本发明技术创新性地采用新型耦合馈电电容结构，很大程度上实现了天线的超小型化，同时对螺旋线的螺旋结构进行重新构造，将其形状设置为锥形结构，可以在一定程度上提高天线的辐射效率并且保证天线高增益辐射，同时也可用于天线谐振频率的微调。本发明所述的耦合馈电电容由低介电常数电介质、两块金属板组成，可以与螺旋结构很好的协调组合在一起，有效的降低了天线安装难易程度，并保持高效率辐射电磁波，本发明技术所实现螺旋天线高度仅为真空波长的0.015倍，实际增益也能达到1.57dBi，保证水平方向全向辐射。

本发明的有益效果如下：

1.本发明技术可直接采用50欧姆射频同轴接头，不需要外加阻抗匹配网络，其端口处的输入阻抗为42.94-j*2.34欧姆，减少除了天线以外不必要的附加结构，在一定程度上避免匹配网络对辐射方向图的影响，且其反射损耗极小。

3.现有技术实现的方法比本发明技术加工、组装复杂且尺寸误差较大，所引入的附加网络导致导体损耗较高，除了导体损耗，还包括铁氧体的场束缚，加载RLC的高损耗，而本发明技术仅仅在螺旋线的馈电端口增加了一个由低介电常数的电介质、两个金属板构成的平行板电容，同时采用锥型结构的螺旋线，实现了小型化和法向模辐射的前提下，可以实现高效率、高增益辐射。

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是本实施例所述螺旋天线的结构示意图。

图5是本实施例所述同轴馈电线与螺旋天线连接的结构局部剖面图。

图6是本实施例所述螺旋天线等效电路图。

图7是本实施例回波损耗S11图。

图8是本实施例驻波比图。

图9是本实施例阻抗图。

图10是本实施例XOY平面与XOZ平面方向图。

图中，1-螺旋线、2-第一金属板、3-耦合馈电电容、4-第二金属板、5-同轴馈电线、6-内导体、7-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

在短距离通信或电台通信中，法向模式螺旋天线发挥着重要的作用，可以满足水平方向全向辐射，且易于加工制作，然而在这类460MHz低频天线中，我们必须对其进行小型化处理，且保持高增益辐射。多年以来，很多研究者均对上述问题进行研究，但是现有技术均是在很小程度上对天线进行小型化，且均是以牺牲增益为代价，抑或是外加阻抗匹配网络，增加天线系统复杂度与损耗，脱离了设计要求。

为了方便说明本实施例的技术内容，以460MHz无线电台通信为例子，详细解释本实施例技术的性能特点。460MHz频率对应的真空波长为652mm，半波长也有326mm，而四分之一波长就有163mm，所有如果采用原始螺旋天线的结构设计，则天线结构高度过大。

下面以螺旋天线的工作频率为460MHz，详细介绍本实施例的技术手段，具体如下：

如图4、图5所示，一种高增益小型化的螺旋天线，所述高增益小型化的螺旋天线外接同轴馈电线5；所述同轴馈电线5包括内导体6、外导体7；所述的螺旋天线包括锥型结构的螺旋线1、第一金属板2、第二金属板4、耦合馈电电容3；所述第二金属板4的顶部与耦合馈电电容3的底部连接；所述耦合馈电电容3的顶部与第一金属板2的底部连接；所述螺旋线1与第一金属板2的顶部设置连接；所述第二金属板4设有第一通孔，所述耦合馈电电容3设有第二通孔，所述内导体6穿过所述第二金属板4的第一通孔、耦合馈电电容3的第二通孔与第一金属板2的底部连接，实现射频信号通过耦合馈电电容3以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电；所述外导体7与第二金属板4的底部连接，使得第二金属板4成为天线的接地板。

所述高增益小型化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；所述的螺旋天线包括锥型结构的螺旋线、第一金属板、第二金属板、耦合馈电电容；所述第二金属板的顶部与耦合馈电电容的底部连接；所述耦合馈电电容的顶部与第一金属板的底部连接；所述螺旋线与第一金属板的顶部设置连接；所述第二金属板设有第一通孔，所述耦合馈电电容设有第二通孔，所述内导体穿过所述第二金属板的第一通孔、耦合馈电电容的第二通孔与第一金属板的底部连接，实现射频信号通过耦合馈电电容以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电；所述外导体与第二金属板的底部连接，使得第二金属板成为天线的接地板

本实施例所述锥型结构的螺旋线1设置接近第一金属板2的一端的外径L向远离第一金属板2的一端的外径逐渐等值变小，所述螺旋线1采用的金属导体线径为1mm。本实施例设置接近第一金属板2一端的螺旋线1的外径L为23mm，设置远离第一金属板2一端的螺旋线1的外径为11.52mm；所述螺旋线1的高度为10mm，匝数为3.94。本发明采用锥型结构的螺旋线可以在一定程度上提高天线的辐射效率并且保证天线高增益辐射，同时也可用于天线谐振频率的微调。

本实施例所述第一金属板2设置为圆形板状结构，其直径为27mm，厚度为0.035mm。所述耦合馈电电容3设置为圆形板状结构，其对应的直径为27mm，厚度为0.6mm，所述耦合馈电电容3的圆心处开设第二通孔。所述耦合馈电电容3采用的电介质的介电常数为8.84，损耗正切值为0.002。所述第二金属板4设置为圆形板状结构，其对应的直径为60mm，厚度为1mm，所述第二金属板4的圆心处开设第一通孔。所述螺旋线1、第一金属板2、第二金属板4均采用金属铁材料。

所述的同轴馈电线5采用50欧姆射频同轴接头，其端口处输入的阻抗为42.94-j*2.34欧姆。

如图5所示，可以看到，所述外导体7与第二金属板4直接连接即实现电连接，将第二金属板4设置为天线的接地板，即使得第二金属板4成为螺旋天线1的反射板。所述内导体6穿过耦合馈电电容3直接第一金属板2电连接，实现射频信号通过耦合馈电电容3以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电。

如图6所示，为基于本实施例所述的螺旋天线1的等效电路图，其中电容C₁表示的是耦合馈电电容3的电容值，可以看到耦合馈电电容3与之后的等效电路并联，且该电容值比较大，这就解释了为何可以将天线做到小型化，而C_o、L_o、R₀为螺旋线的等效电路。可以从低频电路理论知识可以知道谐振频率所以从这个等效电路图中可知，通过增大该等式中的电容值C，那么在保证频率f不变的情况下，螺旋线的电感值L应当相应下降，也就是说可以降低螺旋线的高度，从而达到了小型化的目的。而在本实施例所述的螺旋线1的结构并不是普通的螺旋线，而是通过特定结构即设计成锥形螺旋线，从而保证天线在实现超小型化的同时保证水平全向辐射方向的高增益。

本例子所设计的螺旋天线工作频率为460MHz，工作在特高频UHF频段，该结构在谐振频率点的极化方式为线极化，馈电方式为标准的50欧姆同轴线馈电方式，所述的同轴馈电线包括内导体和外导体。

本实施例的技术应用于460MHz螺旋天线的设计上，可以实现天线的整机尺寸高度为谐振频率真空波长的0.015倍(绝对尺寸为10mm)，满足螺旋天线的全向辐射且最大增益为1.57dBi，增益普遍高于现有技术，尺寸小型化的程度高于现有技术。本实施例中的螺旋天线，工作频率为460MHz，采用新型的电容加载技术和新型螺旋线结构实现全向辐射天线的小型化与高增益，辐射效率维持在90％以上，在水平面上实现全向辐射，以满足社会生产高增益超小型化螺旋天线的设计要求。

本实施例所述的螺旋天线的回波损耗S11参数如图7所示，从图中可以看出，在谐振频率460MHz处，S11的值为-22.427dB，回波损耗达到最小值，基本可以认为信道没有反射波，能量全部进入辐射体，同样的结论可以从图8可以得到，螺旋天线输入端口的驻波比为1.16dB，那么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，图9展示了输入端口的阻抗曲线，在谐振频率处的阻抗值为42.94-j*2.34欧姆，也更加说明了馈电端口可以直接与50欧姆同轴端口无反射连接。图10是460MHz谐振时的XOY平面和XOZ平面方向图，可以看到天线满足水平方向全向辐射的特性，同时看到在水平方向上最大增益为1.57dBi。

本实施例所述的螺旋天线在保证螺旋天线工作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上增益最小、与地平面平行的水平面上增益最大，可以参考图10的方向图。其中，本实施例所述螺旋天线通过创新性应用新型耦合馈电电容结构使得螺旋天线的高度尺寸得到了极大程度的小型化，高度仅为谐振频率真空波长的0.015倍(即10mm)，同时螺旋线结构创新性采用锥形结构，实现高增益辐射。

本实施相对现有技术之一具备的特点如下：

(1)仅仅采用新型耦合馈电电容结构；即本设计中并不存在像现有技术之一中的技术所需要的RLC元件分段加载这么复杂，简化了螺旋天线的结构。

(2)所加载的电容并非为集总元件，是直接采用低介电常数电介质和两块金属导体板直接形成电容，因为在实际生产加工上，这种方式容易加工，机械性较高，可实行性较高，与螺旋结构能很好的融合加工在一起。

(3)本发明采用电容加载可实现螺旋天线的高度下降为谐振频率真空波长的0.015倍，比上述技术所实现的小型化效果更好。

(4)本发明技术中所示范的例子即460MHz全向辐射螺旋天线在谐振频率处，在满足法向模辐射与超小型化的前提下，水平辐射方向最大增益可达1.57dBi。

(5)不需要外加阻抗匹配网络；本发明中的螺旋天线在谐振频率460MHz处，驻波比仅仅为1.16dB，可以看到天线如果与50欧姆同轴传输线连接，反射损耗将很低，可认为基本没有反射波；而且不需要外加阻抗匹配网络，减小天线外部电路的冗杂度。

(6)现有技术的所加载的RLC集总元件相对于本实施例来说损耗过大(尤其是加载的电阻消耗能量过多)，那么辐射效率相对于本实施例也相对较低。

本实施例与现有技术之二的技术区别如下：

(1)本实施例不需要铁氧体；因为铁氧体材料及其难找，而且铁氧体的参数很难在仿真和实际制作中做到很小误差。

(2)本实施例结构紧凑；原因是不需要加载铁氧体，只需要在馈电端口处加上新型的耦合馈电电容结构，再对螺旋天线辐射体进行锥形变螺距的结构设计，结构容易固定和安装。

(4)本实施例所述的螺旋天线不需要外加阻抗匹配网络，因为发明技术可以使得螺旋天线的馈电端口的输入阻抗为42.94-j*2.34欧姆，可以直接与SMA同轴接口相连，回波损耗很小，不需要阻抗转换。

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 (9)

1.一种高增益小型化的螺旋天线，所述高增益小型化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；其特征在于：所述的螺旋天线包括锥型结构的螺旋线、第一金属板、第二金属板、耦合馈电电容；所述第二金属板的顶部与耦合馈电电容的底部连接；所述耦合馈电电容的顶部与第一金属板的底部连接；所述螺旋线与第一金属板的顶部设置连接；所述第二金属板设有第一通孔，所述耦合馈电电容设有第二通孔，所述内导体穿过所述第二金属板的第一通孔、耦合馈电电容的第二通孔与第一金属板的底部连接，实现射频信号通过耦合馈电电容以电磁场耦合的形式对辐射单元进行馈电；所述外导体与第二金属板的底部连接，使得第二金属板成为天线的接地板。

2.根据权利要求1所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述锥型结构的螺旋线设置接近第一金属板的一端的外径向远离第一金属板的一端的外径逐渐等值变小，所述螺旋线采用的金属导体线径为1mm。

3.根据权利要求2所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：设置接近第一金属板一端的螺旋线的外径为23mm，设置远离第一金属板一端的螺旋线的外径为11.52mm；所述螺旋线的高度为10mm，匝数为3.94。

4.根据权利要求1所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述第一金属板设置为圆形板状结构，其直径为27mm，厚度为0.035mm。

5.根据权利要求1所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述耦合馈电电容设置为圆形板状结构，其对应的直径为27mm，厚度为0.6mm。

6.根据权利要求5所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述耦合馈电电容采用的电介质的介电常数为8.84，损耗正切值为0.002。

7.根据权利要求1所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述第二金属板设置为圆形板状结构，其对应的直径为60mm，厚度为1mm。

8.根据权利要求2～7任一项所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述螺旋线、第一金属板、第二金属板均采用金属铁材料。

9.根据权利要求1所述的高增益小型化的螺旋天线，其特征在于：所述的同轴馈电线采用50欧姆射频同轴接头，其端口处输入的阻抗为42.94-j*2.34欧姆。