CN110635237A - 一种小型化双频电路加载螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种小型化双频电路加载螺旋天线，通过于具有相移馈电网络的馈电基板上设置一绝缘筒体，并于该绝缘筒体上沿螺旋天线的高度方向朝向一个方向螺旋缠绕有4个双频辐射臂，且设置每个双频辐射臂均包括一条曲折螺旋线和一条直螺旋线，该曲折螺旋线和直螺旋线的末端连接在一起并分别一一对应连接在相移馈电网络的4个馈点上，从而使得该双频电路加载螺旋天线能够兼具小型化及双频特性，布局巧妙，可以在较小限空间实现两个频段较好的驻波及辐射特性，具有很强的实用性及应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种小型化双频电路加载螺旋天线。
背景技术
近年来，卫星移动通信得到了广泛的应用，也由此发展出了针对不同业务的众多地面终端应用系统，特别是手持系统，由于业务种类和使用者姿态的不确定性，要求天线具有多频段共用"宽波束"高效率等性能！作为卫星地面手持终端设备的电磁波接收与发射装置，天线扮演着举足轻重的角色，其性能的好坏直接决定了终端用户定位的精度及速度，其成本、体积及质量的大小将决定着设备的尺寸及价格，并将间接影响产品的市场前景。
相对其他卫星通信天线来说，轴向模式的四臂螺旋天线具有效率高、圆极化性能好以及能够形成半球形辐射方向图等性能，使其成为备受关注的一种卫星通信天线形式，但目前的四臂螺旋天线尺寸较大或高度较高，无法满足手持终端天线的小型化需求。此外目前能查到的文献中的双频螺旋天线一般两个频率靠的较近，高频和低频比不超过1.5:1，这些都是本领域技术人员所不期望见到的。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明公开了一种小型化双频电路加载螺旋天线，其中，包括：电路加载结构、绝缘筒体和4个双频辐射臂；
所述电路加载结构包括馈电基板和设置于所述馈电基板上表面的相移馈电网络，所述相移馈电网络上设置有4个馈点；
所述馈电基板设置于所述绝缘筒体的内部并位于所述绝缘筒体的底部，4个所述双频辐射臂均沿所述螺旋天线的高度方向朝向一个方向螺旋缠绕在所述绝缘筒体的外壁上，且每个所述双频辐射臂均包括一条曲折螺旋线和一条直螺旋线，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的末端连接在一起，4个所述双频辐射臂的所述曲折螺旋线和所述直螺旋线之间的间距均相同，且4个所述双频辐射臂的末端分别一一对应连接在相移馈电网络的4个馈点上。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的升角均为20～75°。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的宽度的取值范围均为0.5～1.5mm。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述馈电基板为双面结构，所述馈电基板的下表面上设置有4个焊盘和一个馈电点，4个所述焊盘分别与4个所述馈点通过金属化通孔连通，4个所述双频辐射臂的末端分别一一对应焊接在4个所述焊盘上，所述馈电点用于与电缆连接。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述馈电基板为圆形，所述相移馈电网络包括一个LTCC巴伦、2个3dB电桥和4个所述馈点。
4个所述馈点均匀分布在所述馈电基板边沿并位于同一圆周上，所述LTCC巴伦的不平衡端口通过金属化通孔与所述馈电点连接，所述LTCC巴伦的第一平衡端口通过一所述3dB电桥连接4个所述馈点中2个相邻的馈点，所述LTCC巴伦的第二平衡端口通过另一所述3dB电桥连接4个所述馈点中剩余的2个相邻的馈点以将所述电缆输入的电信号转换成幅值相等，相位依次相差90°的馈电信号输出。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述LTCC巴伦包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、接地电感和接地电容；
所述不平衡端口和第一平衡端口之间串联有所述第一电感和所述第二电感，且所述接地电容连接在所述第一电感和所述第二电感之间；
所述不平衡端口和所述第二平衡端口之间串联有所述第一电容和所述第二电容，且所述接地电感连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述双频辐射臂印刷在柔性材料层上，所述柔性材料层贴附于所述绝缘筒体上。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述柔性材料层的介电常数为2～5。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述柔性材料层的厚度小于0.5mm。
上述的小型化双频电路加载螺旋天线，其中，所述的馈电基板的厚度为0.5～2mm。
上述发明具有如下优点或者有益效果：
本发明公开了一种小型化双频电路加载螺旋天线，通过于具有相移馈电网络的馈电基板上设置一绝缘筒体，并于该绝缘筒体上沿螺旋天线的高度方向朝一个方向螺旋缠绕有4个双频辐射臂，且设置每个双频辐射臂均包括一条曲折螺旋线和一条直螺旋线，该曲折螺旋线和直螺旋线的末端连接在一起并分别一一对应连接在相移馈电网络的4个馈点上；由于该螺旋天线采用的直螺旋线和曲折螺旋线能够实现双频辐射，且双频频率比大于1.5，并采用包括巴伦、两个3dB电桥等元件的馈电网络，从而使得该双频电路加载螺旋天线能够兼具小型化及双频特性，布局巧妙，可以在较小限空间实现两个频段较好的驻波及辐射特性，具有很强的实用性及应用前景，且该加载螺旋天线作为一种手持卫星信通信天线，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。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明实施例中小型化双频电路加载螺旋天线的结构示意图；
图2是本发明实施例中电路加载结构的俯视图；
图3是本发明实施例中巴伦的结构示意图；
图4是本发明实施例中电路加载结构的仰视图。
具体实施方式
巴伦(Balun)是一种三端口器件，由一个不平衡端口和两个平衡端口组成。两个平衡端口的信号有180°的相移及相同的幅值。3dB电桥也叫同频合路器，它能够沿传输线路某一确定方向上对传输功率连续取样，能将一个输入信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号。主要用于多信号合路，提高输出信号的利用率，广泛应用室内覆盖系统中对基站信号的合路，在这种场所运用效果很好。
巴伦形成了左右两部分电路180度的相位差的网络，网络左右两边再分别与3dB电桥连接，从而形成四个依次相差90度相位的输出端口的端口，满足四臂螺旋天线的相位要求。
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的说明，但是不作为本发明的限定。
如图1～4所示，本实施例涉及一种小型化双频电路加载螺旋天线，该双频电路加载螺旋天线采用底部馈电的方式，具体的，该螺旋天线包括：电路加载结构1、绝缘筒体3和4个双频辐射臂2；该电路加载结构1包括馈电基板15和设置于馈电基板上表面的相移馈电网络，该相移馈电网络上设置有4个馈点11、12、13、14；该馈电基板15设置于绝缘筒体3的内部并位于绝缘筒体3的底部，4个双频辐射臂2均沿螺旋天线的高度方向朝向一个方向(左旋或右旋，4个双频辐射臂2旋转方向一致)螺旋缠绕在绝缘筒体3的外壁上，其中，双频辐射臂2印刷在柔性材料层(图中未标示出)上，该柔性材料层贴附于所述绝缘筒体3上；每个双频辐射臂2均包括一条曲折螺旋线21和一条直螺旋线22(由于两条螺旋线频率相差较大，频率比大于1.5，因此设置一条螺旋线为直线，一条螺旋线为曲折线，这样一是可以缩短绝缘筒体3的整体高度，二是可以避免由于螺旋线升角不同导致的两条螺旋线交叉，其中直螺旋线22辐射较高频率，曲折螺旋线21辐射较低频段)，该曲折螺旋线21和直螺旋线22的末端连接在一起共同形成一个馈电点，4个双频辐射臂2的曲折螺旋线21和直螺旋线22之间的间距均相同(设置单个双频辐射臂2中曲折螺旋线21和直螺旋线22之间的间距为第一间距，则4个双频辐射臂2的该第一间距均相等)，且4个双频辐射臂2的末端分别一一对应连接在相移馈电网络的4个馈点上。
在本发明的实施例中，上述曲折螺旋线21和直螺旋线22的宽度的取值范围均为0.5～1.5mm(例如0.5mm、1mm、1.2mm或者1.5mm等)。曲折螺旋线21和直螺旋线22的升角为20～75°以使得上述双频辐射臂能够形成高低频比大于1.5的双频辐射螺旋线。由于两个频率的频率比大于1.5，如果全部采用直线型螺旋臂会引起两臂的交叉，所以一个采用曲折线，一个采用直线，通过调节两种线的升角、长度及粗细，使得天线在需要的工作点谐振。
在本发明的一个优选的实施例中，上述柔性材料层的介电常数(相对介电常数)为2～5之间，且该柔性材料层的厚度小于0.5mm。
在本发明的一个优选的实施例中，上述馈电基板的介质的损耗角δ的正切值tgδ≤10-3，且该馈电基板的厚度0.5-2mm(例如0.5mm、1mm、1.7mm或者2mm等)。
在本发明的一个具体的实施例中，上述馈电基板双面印刷，上表面印刷有相移馈电网络，下表面设置有4个金属焊盘16、17、18、19和一个馈电点20，该馈电点20用于与电缆连接。上述馈电基板采用圆形PCB板，上述相移馈电网络包括一个LTCC巴伦、2个3dB电桥和4个馈点11、12、13、14，上述4个馈点11、12、13、14均匀分布在圆形PCB板15边沿并位于同一圆周上(即4个馈点11、12、13、14位于圆形PCB板边缘，对称十字放置，若将该馈电基板分为四个象限，则每个象限包括一个馈点)，4个金属焊盘16、17、18、19分别与4个馈点11、12、13、14通过金属孔一一连通，且4个金属焊盘16、17、18、19分别与4个双频辐射臂22焊接(也可以说4个所述双频辐射臂2的末端分别一一对应焊接在4个金属焊盘上)，进而使得4个双频辐射臂22分别一一对应与4个馈点上11、12、13、14连接；巴伦的不平衡端口通过馈电点与电缆连接(该馈电基板的上表面设置有与巴伦的不平衡端口连接的连接点，且该连接点与馈电点通过金属孔导通)，巴伦的第一平衡端口通过一3dB电桥连接4个馈点中2个相邻的馈点11、12，巴伦的第二平衡端口通过另一3dB电桥连接4个馈点中剩余的2个相邻的馈点13、14以将电缆输入的电信号转换成幅值相等，相位依次相差90°的馈电信号输出，功率等分；该4个馈点相位分别为0°，90°，180°和270°；其中馈点11的相位为270°，馈点12的相位为180°、馈点13的相位为90°，馈点14的相位为0°；该4个双频辐射臂22相位为0°、90°、180°、270°，分别与馈点14、13、12、11一一对应，从而实现了北斗导航系统和、GPS导航系统和GLONASS导航系统频率。
其中，如图3所示，上述巴伦包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、接地电感和接地电容；巴伦的不平衡端口(即端口1)和第一平衡端口(即端口2)之间串联有第一电感和第二电感，且接地电容连接在第一电感和第二电感之间；不平衡端口和第二平衡端口(即端口3)之间串联有第一电容和第二电容，且接地电感连接在第一电容和第二电容之间；即一路由两个串联电感中间接一接地电容在末端电感形成输出，而另一路则是两串联电容间接一接地电感并在末端电容形成输出，信号从单端口(不平衡端口)输入，经过阻抗变换的作用，输出两路幅值相同相位相反的信号，且带宽得到了展宽，通过理论公式计算出巴伦结构中的电感及电容值，并调整3dB电桥中带状线的宽度及长度，使得整体设计的覆盖频段为1561MHz～1575MHz频段和2480MHz～2500MHz和从而克服了基本LC巴伦的工作带宽窄，基本只能工作在工作频率附近的问题。
在本发明的实施例中，上述第一电感、第二电感和接地电感均为三维螺旋结构以减少电感线长；上述第一电容、第二电容和接地电容均为垂直方向平行板叠层电容，且3dB电桥采用蛇形线作为耦合带状线，以减少带状线的长度。另外，巴伦和3dB电桥均采用了LTCC(低温共烧陶瓷)加工工艺进一步实现微型化。
在本发明的实施例中，上述曲折螺旋线21和直螺旋线22均为金属线。
此外，本实施例中的相移馈电网络包含一个巴伦和两个相同的3dB电桥。考虑到尺寸、覆盖频段、带宽等因素，巴伦部分采用宽带形式，包括一个不平衡端口和两个平衡端口，两个平衡端口在两个频段的同时兼具输出端口信号达到180°的相位差和幅值相同的输出3dB电桥部分采用宽边耦合电桥的形式，输出两个互为等幅且具有90°相位差的信号。例如输入阻抗为50ohm，相位0°的信号，该信号首先通过巴伦，输出两个相位分别是0°和180°的等幅信号。相位为0°的信号作为一个3dB电桥的输入信号，输出两个相位分别是0°、90°且等幅的信号。相位为180°的信号作为另一个3dB电桥的输入信号，输出两个相位分别是180°、270°且等幅的信号。总的来说，输入一个相位0°且阻抗为50ohm的信号，会得到四个相位分别为0°、90°、180°、270°且等幅的信号。
本发明公开的小型化双频电路加载螺旋天线，能够同时实现1561MHz～1575MHz频段和2480MHz～2500MHz频段的双频无线通信，且由于采用印刷在柔性材料上的不同升角及不同线宽的双频螺旋臂，质量轻、成本低，并通过采用双面印刷的介质基板，一面是馈电网络，包括巴伦和3dB电桥，另一面是四个与双频辐射臂2相连的焊盘，结构简单、紧凑，在通信系统日益小型化的趋势下具有很高的实用价值。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (10)
1.一种小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，包括：电路加载结构、绝缘筒体和4个双频辐射臂；
所述电路加载结构包括馈电基板和设置于所述馈电基板上表面的相移馈电网络，所述相移馈电网络上设置有4个馈点；
所述馈电基板设置于所述绝缘筒体的内部并位于所述绝缘筒体的底部，4个所述双频辐射臂均沿所述螺旋天线的高度方向朝向一个方向螺旋缠绕在所述绝缘筒体的外壁上，且每个所述双频辐射臂均包括一条曲折螺旋线和一条直螺旋线，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的末端连接在一起，4个所述双频辐射臂的所述曲折螺旋线和所述直螺旋线之间的间距均相同，且4个所述双频辐射臂的末端分别一一对应连接在相移馈电网络的4个馈点上。
2.如权利要求1所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的升角均为20～75°。
3.如权利要求1所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述曲折螺旋线和所述直螺旋线的宽度的取值范围均为0.5～1.5mm。
4.如权利要求1所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述馈电基板为双面结构，所述馈电基板的下表面上设置有4个焊盘和一个馈电点，4个所述焊盘分别与4个所述馈点通过金属化通孔连通，4个所述双频辐射臂的末端分别一一对应焊接在4个所述焊盘上，所述馈电点用于与电缆连接。
5.如权利要求4所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述馈电基板为圆形，所述相移馈电网络包括一个LTCC巴伦、2个3dB电桥和4个所述馈点；
4个所述馈点均匀分布在所述馈电基板边沿并位于同一圆周上，所述LTCC巴伦的不平衡端口通过金属化通孔与所述馈电点连接，所述LTCC巴伦的第一平衡端口通过一所述3dB电桥连接4个所述馈点中2个相邻的馈点，所述LTCC巴伦的第二平衡端口通过另一所述3dB电桥连接4个所述馈点中剩余的2个相邻的馈点以将所述电缆输入的电信号转换成幅值相等，相位依次相差90°的馈电信号输出。
6.如权利要求5所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述LTCC巴伦包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、接地电感和接地电容；
所述不平衡端口和第一平衡端口之间串联有所述第一电感和所述第二电感，且所述接地电容连接在所述第一电感和所述第二电感之间；
所述不平衡端口和所述第二平衡端口之间串联有所述第一电容和所述第二电容，且所述接地电感连接在所述第一电容和所述第二电容之间。
7.如权利要求1所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述双频辐射臂印刷在柔性材料层上，所述柔性材料层贴附于所述绝缘筒体上。
8.如权利要求7所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述柔性材料层的介电常数为2～5。
9.如权利要求7所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述柔性材料层的厚度小于0.5mm。
10.如权利要求1所述的小型化双频电路加载螺旋天线，其特征在于，所述的馈电基板的厚度为0.5～2mm。
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