CN110797637A - 一种宽频带螺旋天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种宽频带螺旋天线及其设计方法，所述天线包括空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧，所述螺旋金属线上还设有馈电点和短路点，所述短路点用于导通螺旋金属线和金属地。本申请实施例提供的宽频带螺旋天线增加了短路点，连接螺旋金属线和金属地，可以改变电流分布，形成新的电流路径构成新的辐射振子，在10‑80MHz频段内激励起多个谐振模式，形成多频带、宽频带天线，具有宽的带宽。本申请实施例提供的天线还包括射频开关，用于调节短路金属片的断开或连接状态、螺旋金属线的断开或连接状态，从而调整谐振频率。

Description

一种宽频带螺旋天线及其设计方法

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种宽频带螺旋天线及其设计方法。

背景技术

天线是无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件，它把传输线上传播的导行波，变换成在自由空间中传播的电磁波，或者进行相反的变换，被广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统。

在很多无线通信系统中，要求天线具有小型、多频、宽频的特性，例如胶囊内视镜中的天线。现有技术中，为了缩减胶囊内视镜中天线的尺寸，通常将天线做成螺旋结构，由于胶囊内视镜的主要部分为圆柱形，螺旋线天线可以围绕圆柱内表面缠绕。

但是，现有技术中的螺旋天线无法满足多频、宽频的需求。

发明内容

本申请实施例中提供了一种宽频带螺旋天线及其设计方法，以利于解决现有技术中螺旋天线无法满足多频、宽频需求的问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种宽频带螺旋天线，包括：

空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧，所述螺旋金属线上还设有馈电点和短路点，所述短路点用于导通螺旋金属线和金属地。

优选地，所述短路点的数量为一个或一个以上。

优选地，所述短路点处设有控制开关，所述控制开关用于控制所述短路点处螺旋金属线和金属地之间的连接或断开状态。

优选地，所述螺旋金属线含有控制开关，所述控制开关用于控制金属线的连接或断开状态，调整螺旋金属线的圈数,调整谐振频率。

优选地，所述螺旋金属线的数量为两个或两个以上，所述两个或两个以上螺旋金属线分别位于所述馈电点沿所述空心圆柱体轴线方向的两侧。

第二方面，本申请实施例提供了一种宽频带螺旋天线的设计方法，所述螺旋天线包括空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧；

所述方法包括通过增加用于导通螺旋金属线和金属地的短路点，降低谐振频率、提高天线带宽。

优选地，还包括：通过增加螺旋金属线的数量降低谐振频率、提高天线带宽。

优选地，还包括：通过调整所述短路点的位置，调整谐振频率。

优选地，还包括：通过调整螺旋金属线的圈数，提高螺旋线之间的耦合激励多个谐振、提高天线带宽。

本申请实施例提供的宽频带螺旋天线增加了短路点，连接螺旋金属线和金属地，可以改变电流分布，电流主要集中于短路点与馈电点附近的螺旋线与金属地上，并在金属地与螺旋线之间流动，形成新的电流路径构成新的辐射振子，在10-80MHz频段内激励起多个谐振模式，形成多频带、宽频带天线，具有宽的带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a为本申请实施例提供的一种宽频带螺旋天线的结构示意图；

图1b为本申请实施例提供的一种宽频带螺旋天线的剖面图；

图2为本申请实施提供的天线ANT1C41的S11曲线图；

图3为本申请实施例提供的天线ANT1C20、ANT1C21、ANT1C40的S11曲线图；

图4为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置变化S11曲线1；

图5为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置变化S11曲线2；

图6为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置可调天线结构图；

图7为本申请实施例提供的ANT1C41螺旋金属线圈数n变化的S11曲线1，；

图8为本申请实施例提供的ANT1C41螺旋金属线圈数n变化的S11曲线2；

图9为本申请实施例提供的一种ANT1C41螺旋圈数可调天线结构示意图；

图10为本申请实施例提供的天线ANT2C6的结构示意图；

图11为本申请实施例提供的天线ANT2C6的S11曲线图；

图12为本申请实施例提供的不同螺旋金属线圈数的天线S11曲线图；

图13为本申请实施例提供的天线ANT2C6短路点位置变化时的S11曲线图；

图14为本申请实施例提供的天线ANT3536的结构示意图；

图15为本申请实施例提供的天线ANT3536的S11曲线图；

图16为本申请实施例提供的不同短路点的天线S11曲线图；

图17为本申请实施例提供的第一短路点35位置变化时的S11曲线图；

图18为本申请实施例提供的天线ANT3536随螺旋金属线圈数变化时的S11曲线图；

图19为本申请实施例提供的天线ANT3536随螺旋金属线根数变化时的S11曲线图；

图20为本申请实施例提供的天线ANT4的结构示意图；

图21为本申请实施例提供的天线ANT4随着螺旋金属线圈数变化的S11曲线图；

图22为本申请实施例提供的天线ANT5C0的结构示意图；

图23为本申请实施例提供的天线ANT5C0与ANT5C1的S11曲线图；

图24为本申请实施例提供的较佳螺旋圈数的S11曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，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清楚、完整地描述，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，都应当属于本申请保护的范围。

针对现有技术中存在的问题，本申请实施例提供了一种宽频带螺旋天线。图1a为本申请实施例提供的一种宽频带螺旋天线的结构示意图，如图1a所示，所述宽频带螺旋天线包括空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地1，所述空心圆柱体的外层为磁性材料2，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧，所述螺旋金属线上还设有馈电点3和短路点15，所述短路点15用于导通螺旋金属线和金属地1。

本申请实施例提供的宽频带螺旋天线增加了短路点，连接螺旋金属线和金属地，可以改变电流分布，电流主要集中于短路点与馈电点附近的螺旋线与金属地上，并在金属地与螺旋线之间流动，形成新的电流路径构成新的辐射振子，在10-80MHz频段内激励起多个谐振模式，形成多频带、宽频带天线，具有宽的带宽。

以下结合具体实施例对本申请提供的宽频带螺旋天线进行说明。需要指出的是，为了便于说明，在具体实施例中列举了详细的参数，例如空心圆柱体的尺寸、螺旋金属线的数量、馈电点的位置和数量、接地点的位置和数量等，不应将其作为本申请保护范围的限制。

实施例一：

在本实施例中，图1a所示宽频带螺旋天线的具体参数如下，为了便于说明，将具有如下参数的宽频带螺旋天线命名为ANT1C41。

ANT1C41的具体参数为：空心圆柱体的内半径a＝6.5mm，外半径为b＝7mm，高度h小于25mm。ANT1C41包含四根螺旋金属线，每根螺旋金属线的起始端均位于圆柱的中间部分，其中第一螺旋金属线11和第二螺旋金属线12并排缠绕于空心圆柱体的上半部分；第三螺旋金属线13和第四螺旋金属线14并排缠绕于空心圆柱体的下半部分，每根螺旋金属线的末端都开路。馈电点3分别与四根螺旋金属线的起始端连接。每根螺旋金属线的圈数相同均为6。ANT1C41还包括一个短路点15，短路点15连接螺旋金属线与金属地1。具体地，该短路点15可以为短路金属片，当然也可以为其它结构，本申请对短路点的具体形式不做限定。

图1b为本申请实施例提供的一种宽频带螺旋天线的剖面图，在图1b中示出了一个馈电点3和一个短路点15，为了便于对短路点15的位置进行表示，建立空间直角坐标系，其中，z轴过所述空心圆柱体的轴线。

对于螺旋线上的点，其z坐标：z＝z0+φ/360°*s，其中z0是螺旋线起点z坐标，s是螺旋线间距，φ为螺旋角。相应的，ANT1C41的螺旋线起点z0＝0，螺旋角φ15＝240°，zs15＝z0+φ15/360°*s。

为了分析ANT1C41的工作原理，本申请实施例给出了三个参考天线，分别为ANT1C20、ANT1C21、ANT1C40。其中ANT1C20包含两根螺旋金属线、无短路点；ANT1C21包含两根螺旋线、有一个短路点；ANT1C40包含四个螺旋线、无短路点。

图2为本申请实施提供的天线ANT1C41的S11曲线图，图3为本申请实施例提供的天线ANT1C20、ANT1C21、ANT1C40的S11曲线图。

表1为本申请实施例提供的ANT1C20、ANT1C21、ANT1C40、ANT1C41的谐振频率与带宽对照表：

以下结合表1及图2、图3，对天线的工作原理进行分析。

比较天线ANT1C20和ANT1C21，天线ANT1C20和ANT1C21均含有两根螺旋金属线，天线ANT1C20无短路点，天线ANT1C21有一个短路点。参见表1及图2、图3，在0-200MHz频段内ANT1C21激励起三个谐振，而ANT1C20仅激励两个谐振。在0-80MHz频段内ANT1C20激励一个谐振，而ANT1C21激励两个谐振。ANT1C21的第一个谐振频率比ANT1C20的第一个谐振频率稍微降低，ANT1C21的第二个谐振频率比ANT1C20的第二个谐振频率明显降低。这说明本申请实施例提供的螺旋天线中加入短路点可以降低谐振频率，激励新的谐振、拓宽带宽。

比较天线ANT1C40和ANT1C41，ANT1C40和ANT1C41均含有四根螺旋金属线，天线ANT1C40无短路点，ANT1C41有一个短路点。参见表1及图2、图3，在0-200MHz频段内ANT1C41激励起三个谐振，而ANT1C40仅激励两个谐振。在0-80MHz，ANT1C40激励一个谐振，而ANT1C41激励两个谐振。ANT1C41的第一个谐振频率比ANT1C40的第一个谐振频率稍微降低，ANT1C41的第二个谐振频率比ANT1C40的第二个谐振频率明显降低。同样可见加入短路点可以降低第一个谐振频率，激励新的谐振、拓宽带宽。

比较天线ANT1C21和ANT1C41，ANT1C21和ANT1C41均包含短路点，其中，ANT1C21包含两根螺旋线，ANT1C41包含四根螺旋线。参见表1及图2、图3，可见增加螺旋线的个数可以降低谐振频率，提高天线的带宽。

在电流分布方面，ANT1C20在第一个谐振频率30.1MHz以及第二个谐振频率152.95MHz处的电流分布关于馈电点上下对称，馈电点上方与下方的电流幅度分布基本相同，这是由于天线的结构对称造成的。未加短路点的天线ANT1C20可以看作对称振子天线，电流主要分布于馈电附近的螺旋线上，金属地上分布的电流是由螺旋线感应产生的。

另外，天线ANT1C21在三个谐振频率29.25MHz、50.25MHz、133.5MHz处的电流分布均不对称，电流在短路点以及馈电点附近的螺旋线及地上分布最强。说明加入了短路点使得天线结构不对称，引起电流分布发生变化，从而造成天线谐振频率和带宽的变化。

ANT1C21在第一个谐振频率29.25MHz以及第三谐振频率133.5MHz处，电流在螺旋金属线和金属地上主要分布在短路点下方(-z方向)的区域，因此短路点及其下方的螺旋金属线与金属地构成新的辐射振子，激励第一、第三谐振模式。

具有四个螺旋线的ANT1C41增加的短路金属片引起电流分布变化，集中分布在短路点和馈电点附近，并在金属地和螺旋线之间流动，形成新的辐射振子，激励多个谐振。

比较ANT1C21和ANT1C41的电流分布，增加螺旋金属线个数可以在相邻螺旋线之间产生耦合电流，电流路径增长、电流分布的区域增大，从而降低谐振频率、提高天线带宽。

与上述实施例相对应，本申请还提供了一种宽频带螺旋天线的设计方法，所述螺旋天线包括空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧；

所述方法包括通过增加用于导通螺旋金属线和金属地的短路点，降低谐振频率、提高天线带宽。

在一种可选实施例中，所述方法还包括通过增加螺旋金属线的数量降低谐振频率、提高天线带宽。

短路点的位置对天线的谐振频率具有一定的影响，以下结合具体实施例进行说明。

图4为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置变化S11曲线1；

图5为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置变化S11曲线2。

表2为本申请实施例提供的ANT1C41短路点位置不同情况下的谐振频率与带宽对照表：

从图4、5以及表2可见，当第一短路点的螺旋角φ15增大即短路点沿+z方向远离馈电，天线的第一个谐振频率降低，第二个谐振频率先随φ15增大而增大(φ15＝50°，240°，650°)，后消失(φ15＝1010°，1490°)，然后随φ15增大而降低(φ15＝1970°，2160°)。当φ15＝650°，1010°，1490°，1970°，2160°时，天线在10-80MHz之间只有一个-10dB带宽，带宽较窄。当φ15＝50°及240°时，天线的第一个及第二个谐振频率处带宽大于0；而短路点在其它位置处时，第二个谐振频率处S11大于-10dB，带宽为0。因此短路点的位置需要合理优化才能得到宽的带宽。

图6为本申请实施例提供的天线ANT1C41短路点位置可调天线结构图，其中S1(位于φ15＝50°处)、S2(位于φ15＝240°处)、S3(位于φ15＝650°处)、S4(位于φ15＝1010°处)、S5(位于φ15＝1490°处)、S6(位于φ15＝1970°处)、S7(位于φ15＝2160°处)处的短路点是包含射频开关的短路金属片。当射频开关工作于ON状态时螺旋金属线与金属地连接；当射频开关工作于OFF状态，螺旋金属线与金属地不连接。

当保持S1的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝50°处，带宽覆盖24-28.375MHz与38-45MHz；

当保持S2的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝240°处，带宽覆盖23.1-27.5MHz与42.05-47.63MHz；

当保持S3的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝650°处，带宽覆盖19.93-23.35MHz；

当保持S4的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝1010°处，带宽覆盖17-19.625MHz；

当保持S5的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝1490°处，带宽覆盖14.51-17MHz；

当保持S6的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝1970°处，带宽覆盖12.45-14.52MHz；

当保持S7的开关ON其它开关OFF时，相当于天线只有一个短路位于φ15＝2160°处，带宽覆盖11.8-13.7MHz。

因此通过调整七个开关的状态，天线可调谐的范围为11.8-28.375MHz以及38-47.63MHz。

与上述实施例相对应，本申请实施例提供的宽频带螺旋天线的设计方法，还包括通过调整所述短路点的位置，调整谐振频率。

在本申请实施例中，螺旋金属线的圈数对天线的带宽具有一定的影响，以下结合具体实施例进行说明。

图7为本申请实施例提供的ANT1C41螺旋金属线圈数n变化的S11曲线1，其中，不同螺旋金属线的圈数n相同；

图8为本申请实施例提供的ANT1C41螺旋金属线圈数n变化的S11曲线2，其中，不同螺旋金属线的圈数n相同。

表3为本申请实施例提供的ANT1C41螺旋圈数不同情况下的谐振频率与带宽对照表：

从图7、8以及表3可见，当螺旋金属线圈数增加时，天线的谐振频率及覆盖的带宽都向低频移动。可以根据需求设计螺旋的圈数来覆盖不同的频段。还可以在螺旋线中间增加多个开关控制螺旋线在不同位置处的断开与连接状态，即控制螺旋线的圈数来设计调谐天线。

图9为本申请实施例提供的一种ANT1C41螺旋圈数可调天线结构示意图，其中，每根螺旋线上有8个射频开关控制螺旋线的圈数，四根螺旋线共包含32个射频开关。其中H1P1处于螺旋线11的第4.5圈处，H1P2处于螺旋线11的第5圈处，H1P3处于螺旋线11的第5.5圈处，H1P3处于螺旋线11的第6圈处，H1P4处于螺旋线11的第6.5圈处，H1P5处于螺旋线11的第6.5圈处，H1P6处于螺旋线11的第7圈处，H1P7处于螺旋线12的第7.5圈处，H1P8处于螺旋线11的第8圈处；H2P1处于螺旋线12的第4.5圈处，H2P2处于螺旋线12的第5圈处，H2P3处于螺旋线12的第5.5圈处，H2P3处于螺旋线12的第6圈处，H2P4处于螺旋线12的第6.5圈处，H2P5处于螺旋线12的第6.5圈处，H2P6处于螺旋线12的第7圈处，H2P7处于螺旋线12的第7.5圈处，H2P8处于螺旋线12的第8圈处；H3P1处于螺旋线13的第4.5圈处，H3P2处于螺旋线13的第5圈处，H3P3处于螺旋线13的第5.5圈处，H3P3处于螺旋线13的第6圈处，H3P4处于螺旋线13的第6.5圈处，H3P5处于螺旋线13的第6.5圈处，H3P6处于螺旋线13的第7圈处，H3P7处于螺旋线13的第7.5圈处，H3P8处于螺旋线13的第8圈处；H4P1处于螺旋线14的第4.5圈处，H4P2处于螺旋线14的第5圈处，H4P3处于螺旋线14的第5.5圈处，H4P3处于螺旋线14的第6圈处，H4P4处于螺旋线14的第6.5圈处，H4P5处于螺旋线14的第6.5圈处，H4P6处于螺旋线14的第7圈处，H4P7处于螺旋线14的第7.5圈处，H4P8处于螺旋线14的第8圈处。

每个开关的两端连接螺旋线，当开关工作于ON状态时螺旋线连接；当开关工作于OFF状态，螺旋线断开。

当保持所有开关OFF时，螺旋线在第4.5圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为4.5，带宽覆盖32.4-38.2MHz与59.5-67.3MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第5圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为5，带宽覆盖28.7-33.7MHz与53.4-60.1MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第5.5圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为5.5，带宽覆盖25.7-30.6MHz与47.1-53.5MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2、H1P3、H2P3、H3P3、H4P3处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第6圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为6，带宽覆盖22.8-27.4MHz与41.5-47.1MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2、H1P3、H2P3、H3P3、H4P3、H1P4、H2P4、H3P4、H4P4处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第6.5圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为6.5，带宽覆盖20.8-24.8MHz与36.5-41.5MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2、H1P3、H2P3、H3P3、H4P3、H1P4、H2P4、H3P4、H4P4、H1P5、H2P5、H3P5、H4P5处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第7圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为7，带宽覆盖18.6-24.2MHz、32-36.5MHz、92.1-100MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2、H1P3、H2P3、H3P3、H4P3、H1P4、H2P4、H3P4、H4P4、H1P5、H2P5、H3P5、H4P5、H1P6、H2P6、H3P6、H4P6处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第8圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为8，带宽覆盖16.1-19.5MHz、26-31MHz、90.8-92.1MHz；

当保持每根螺旋上的开关H1P1、H2P1、H3P1、H4P1、H1P2、H2P2、H3P2、H4P2、H1P3、H2P3、H3P3、H4P3、H1P4、H2P4、H3P4、H4P4、H1P5、H2P5、H3P5、H4P5、H1P6、H2P6、H3P6、H4P6、H1P7、H2P7、H3P7、H4P7处于ON状态而其它开关OFF时，螺旋线在第9圈处断开，相当于每根螺旋圈数均为9，带宽覆盖13.9-17MHz、23-26.2MHz、70.7-80.9MHz；

当保持所有开关处于ON状态，每根螺旋圈数均为10，带宽覆盖12.9-15.1MHz，19.8-23MHz、62.8-71.9MHz。

因此，通过调整各开关的状态，天线可调谐的范围为12.9-100MHz，如果增加螺旋的圈数，调谐范围会随着增大。

实施例二：

在本实施例中，图1a所示宽频带螺旋天线的具体参数如下，为了便于说明，将具有如下参数的宽频带螺旋天线命名为ANT2C6。

ANT2C6的具体参数为：包含四根螺旋金属线和一个短路点，各螺旋金属线圈数可以不同。

图10为本申请实施例提供的天线ANT2C6的结构示意图，在图23中，第一螺旋金属线21的圈数为n1＝12，第二螺旋线22的圈数为n2＝6，第三螺旋线23的圈数为n3＝12，第四螺旋线24的圈数为n4＝8，短路点的螺旋角φ15＝240°。

表4为本申请实施例提供的天线ANT2C6螺旋圈数不同情况下的谐振频率与带宽对照表：

图11为本申请实施例提供的天线ANT2C6的S11曲线图，参见图11和表4可知，天线ANT2C6在0-80MHz范围内具有四个谐振频率，分别为11.75MHz、17.88MHz、49.38MHz、61.63MHz，带宽为11-13.3MHz、16.7-19MHz、46.9-65.8MHz。

为了研究天线ANT2C6(n1＝12、n2＝6、n3＝12、n4＝8)随螺旋金属线圈数变化的性能，本申请实施例给出了几个参考天线，分别为ANT2C1(n1＝n2＝n3＝n4＝6)，ANT2C2(n1＝n2＝n3＝n4＝8)，NT2C3(n1＝n2＝n3＝n4＝12)，ANT2C4(n1＝12、n2＝8、n3＝12、n4＝6)，ANT2C5(n1＝12、n2＝6、n3＝11、n4＝8)，ANT2C6(n1＝12、n2＝6、n3＝12、n4＝8)。

图12为本申请实施例提供的不同螺旋金属线圈数的天线S11曲线图，如图12及表4所示，对于各螺旋金属线的圈数相等的情况，ANT2C1及ANT2C2在0-80MHz频段内天线只激励两个谐振，增加螺旋金属线的圈数可以降低谐振频率、激励多个谐振，圈数最多的ANT2C3天线在0-80MHz频段内激励三个谐振。

由图11、12及表4可见，对于各螺旋圈数不等的情况，比较较佳情况天线ANT2C6与ANT2C4，两个天线的n1相同、n3相同，而n2不同、n4不同，两天线的所有螺旋圈数加起来总圈数n1+n2+n3+n4相同。ANT2C6天线激励四个谐振，而ANT2C4天线只激励三个谐振。两天线的第一、第二个谐振频率及带宽差别不大，但是两个天线的第三、第四个谐振频率及带宽相差很大，这说明n2和n4的变化对第三、第四个谐振影响很大。

天线ANT2C6与天线ANT2C5只有n3不同(相差1)其余的螺旋圈数相同。由图11、12及表4可见，两个天线都激励四个谐振，天线的第一、第二个谐振随着n3增大1而稍微向低频移动，但是两个天线的第三、第四个谐振处的S11相差很大，带宽也相差很大，这说明n3稍微变化对第三、第四个谐振影响很大。

第一、二个谐振主要由短路及馈电附近的螺旋线和地上的电流引起的，螺旋线圈数发生较小变化时对第一、第二谐振影响较小。而第三、第四个谐振受螺旋线末端电流影响比较大，螺线的圈数发生较小变化对螺旋线末端电流分布有很大影响，在合适的螺旋线长度情况下激励起第三及第四个谐振，拓宽天线带宽。

表5为本申请实施例提供的天线ANT2C6短路点位置不同情况下的谐振频率与带宽对照表：

图13为本申请实施例提供的天线ANT2C6短路点位置变化时的S11曲线图，如图13和表5所示，在没有短路点的情况下，天线只能激励两个谐振11.75MHz及52.875MHz，这两个谐振频率间距很大、带宽很窄。当加入短路点，φ25＝50°、240°位置，天线可激励四个谐振；φ25＝530°、770°情况，天线仅激励三个谐振，并且第二个谐振频率处的S11大于-10dB带宽为0。这说明短路金属片可以增加谐振拓宽带宽，通过优化不同的螺旋线的圈数、优化短路的位置能激励四个谐振获得宽的带宽。

实施例三：

在本实施例中，图1a所示宽频带螺旋天线的具体参数如下，为了便于说明，将具有如下参数的宽频带螺旋天线命名为ANT3536。

图14为本申请实施例提供的天线ANT3536的结构示意图，ANT3536的具体参数为：包含两个短路点和四根螺旋金属线，其中两个短路点分别为第一短路点35和第二短路点36，四根螺旋圈数相同n＝7。

为了研究ANT3536的工作原理，本申请实施例给出了三个参考天线，分别为ANT35(只有第一短路点35没有第二短路点36)、ANT36(只有第二短路点36没有第一短路点35)、ANT30(不含有短路点)。ANT3536可以认为在AN36的基础上增加第一短路点35。

图15为本申请实施例提供的天线ANT3536的S11曲线图；

图16为本申请实施例提供的不同短路点的天线S11曲线图。

表6为本申请实施例提供的天线短路个数不同时谐振频率与带宽对照表：

从图15、16以及表6可见，没有短路的ANT30只激励一个谐振，含有一个短路的ANT35和ANT36都可以激励起两个谐振。ANT35的带宽比ANT36的宽，ANT35的两个谐振之间的差别小于ANT36。在两个谐振频率之间的范围f1-f2内，ANT35的S11低于ANT36，说明两个谐振频率之间的间距减小可以降低S11。在ANT36的基础上增加第二短路点35构成ANT3536，第一个谐振频率升高，第二个谐振频率基本不变，ANT3536两个谐振频率之间的间距小于ANT36的。这是由于两个短路点可以引导更多电流分布于第一短路点35、第二短路点36以及馈电点之间，缩减了第一、第二个谐振之间的间距，降低了S11，提高天线带宽。

图17为本申请实施例提供的第一短路点35位置变化时的S11曲线图，如

图17所示，当保持第二短路点36位置不变，调整第一短路点35的位置，第二个谐振的频率基本不变，而第一个谐振的频率随着第一短路点35的螺旋角φ35的减小而增大，两个谐振频率之间的距离随着φ35的减小而缩减，S11随着降低，φ35＝10°时两个谐振频率最接近，两个谐振频率之间的S11最低。φ35＝120°、φ35＝200°时，两个谐振频率之间的S11出现大于-10dB值。原因在于两个短路位置比较接近能够激励更多的电流分布在短路附近，拓宽带宽。而两个短路的位置需要优化才能很好地激励两个谐振，拓宽带宽。

表7为本申请实施例提供的螺旋金属线圈数及螺旋金属线根数不同情况下的谐振频率与带宽对照表：

图18为本申请实施例提供的天线ANT3536随螺旋金属线圈数变化时的S11曲线图，图19为本申请实施例提供的天线ANT3536随螺旋金属线圈数变化时的S11曲线图，如图18、19及表7所示，当四根螺旋圈数相同为n，n＝6.5、7、7.5、8、8.5情况下天线能激励两个谐振、获得比较宽的带宽，其中n＝6.5时，天线的谐振频率为26.3MHz与36.8MHz，带宽为24-39.7MHz；n＝7时，天线的谐振频率为24MHz与33.3MHz，带宽为24-39.7MHz；n＝7.5时，天线的谐振频率为22.8MHz与30.4MHz，带宽为20.5-32.8MHz；n＝8时，天线的谐振频率为21.1MHz与28.1MHz，带宽为19.3-31MHz；n＝8.5时，天线的谐振频率为20.5MHz与27.5MHz，带宽为18.7-29.3MHz。天线ANT3536的螺旋金属线圈数在多种情况下(6.5、7、7.5、8、8.5)都可以得到宽的带宽，增加螺旋圈数工作频带向低频移动。

另外，含有两根螺旋金属线、两个短路点的天线也能得到宽的带宽。当天线ANT3536只有两根螺旋31和33时，两根螺旋金属线的圈数相等为n，含有两个短路点，从图19以及表7可见，在n＝6.5、7、7.5、8、8.5时，两螺旋天线均具有两个谐振，但只有n＝7.5时天线的带宽较宽，其它情况下两个谐振频率之间的S11存在大于-10dB的值，带宽较窄。这说明含有两根螺旋线和两个短路的天线在有些情况下(n＝7.5)也能获得宽的带宽。但在相同的螺旋圈数情况下，含有四根螺旋线的天线比含有两根螺旋的天线带宽要宽。这说明增加螺旋根数可以拓宽带宽。

实施例四：

在本实施例中，图1a所示宽频带螺旋天线的具体参数如下，为了便于说明，将具有如下参数的宽频带螺旋天线命名为ANT4。

图20为本申请实施例提供的天线ANT4的结构示意图，其具体参数为：包含四根螺旋金属线，缠绕在空心圆柱体的外表面，每根螺旋线的起始端位于圆柱的中间部分，其中第一螺旋金属线41和第二螺旋金属线42并排缠绕于空心圆柱体的上半部分，且第一螺旋金属线41和第二螺旋金属线42的末端通过第一金属片45连接；第三螺旋金属线43和第四螺旋金属线44并排缠绕于空心圆柱体2的下半部分，且第三螺旋金属线43和第四螺旋金属线44的末端通过第二金属片46连接。馈电点3设置在第一螺旋金属线41与第三螺旋金属线43之间，螺旋金属线上有两个短路金属片，分别为第一短路金属片47和第二短路金属片48。

图21为本申请实施例提供的天线ANT4随着螺旋金属线圈数变化的S11曲线图，如图21所示，天线ANT4可以激励两个相距很近的谐振，谐振频率处的S11均低于-10dB，天线带宽很宽：

(1)n＝8.5，谐振频率为18.8MHz与23.1MHz，天线的|S11|<-10dB的带宽为17.2-25.1MHz。

(2)n＝7.5，谐振频率为22.3MHz与26.7MHz，天线的|S11|<-10dB的带宽为19.6-29MHz。

(3)n＝6.5，谐振频率为26.2MHz与32.3MHz，天线的|S11|<-10dB的带宽为23.6-35.3MHz。

本申请提供的实施例四天线的工作原理与实施例三天线相似，实施例四的第一螺旋金属线41和第三螺旋金属线43与馈电点3连接由馈电激励，第二螺旋金属线42与馈电点不连接，但是通过金属片45与第一螺旋金属线41连接，且第一螺旋金属线41与第二螺旋金属线42并排缠绕，因此第二螺旋金属线42通过第一螺旋金属线41耦合馈电。同样，第四螺旋金属线44与馈电点不连接，但是通过金属片46与第三螺旋金属线43连接，因此第四螺旋金属线44通过第三螺旋金属线43耦合馈电。两个短路金属片可以引导天线上电流分布在短路附近，激励起两谐振，通过优化设计两个短路片的位置可以缩减两个谐振频率之间的差距，降低S11拓宽天线带宽。

实施例五：

在本实施例中，图1a所示宽频带螺旋天线的具体参数如下，为了便于说明，将具有如下参数的宽频带螺旋天线命名为ANT5C0。

图22为本申请实施例提供的天线ANT5C0的结构示意图，其具体参数为：包含四根螺旋金属线，分别为第一螺旋金属线51、第二螺旋金属线52、第三螺旋金属线53、第四螺旋金属线54，螺旋金属线圈数分别为n1、n2、n3、n4，天线有两个短路点，分别为第一短路点55和第二短路点56。

实施例五综合利用了实施例二与实施例三的方法，利用实施例二不同长度螺旋线耦合激励四个谐振模式，利用实施例三两个短路方法调整第一、第二个谐振距离获得第一、第二谐振之间的宽带宽，再调整螺旋线圈数拓宽第三、第四个谐振处的带宽。

首先利用实施例二的方法设计天线(称作ANT5C0)，ANT5C0天线含有四根螺旋线，各螺旋圈数分别为n1＝12、n2＝6、n3＝12、n4＝8，ANT5C0天线含有第二短路点56(φ56＝240°)。然后在ANT5C0天线的基础上再增加第一短路点55(φ55＝30°)，构成天线ANT5C1。

表8为本申请实施例提供的螺旋金属线圈数不同情况下天线的谐振频率与带宽对照表：

图23为本申请实施例提供的天线ANT5C0与ANT5C1的S11曲线图，如图23及表8所示，ANT5C0天线激励四个谐振，其中第三、第四个谐振频率之间的S11都低于-10dB，此处带宽较宽，这是螺旋圈数不同的第一螺旋金属线51与第二螺旋金属线52之间的耦合以及第三螺旋金属线53与第四螺旋金属线54之间的耦合获得的良好性能。但是ANT5C0天线的第一、第二个谐振频率之间13.3-16.7MHz频段的S11高于-10dB，需要降低此处的S11来拓宽带宽。通过增加短路点55构成的ANT5C1天线的第一个与第二个谐振频率间距缩减，两个谐振频率之间的S11均低于-10dB，带宽得到拓宽为13.2-20.6MHz，但是第三、第四个谐振频率处因为短路点55的增加而S11升高，带宽变窄，其中第三个谐振频率处的带宽为51.1-54.6MHz，第四个谐振频率处的带宽为59.9-73MHz，第三、第四个谐振频率之间54.6-59.9MHz频段S11高于-10dB的情况，需要降低这个频段的S11。

利用实例3技术通过调整螺旋线圈数增加螺旋线之间的耦合来调整第三、第四个谐振，拓宽天线带宽。通过优化，获得三个较佳的天线，分别为，ANT5C2、ANT5C3、ANT5C。其中ANT5C2天线的螺旋线圈数n1＝11、n2＝6、n3＝12、n4＝6.5；ANT5C3天线的螺旋线圈数n1＝11、n2＝6、n3＝13、n4＝6.5；ANT5C4天线的螺旋线圈数n1＝11、n2＝5、n3＝13、n4＝7。

图24为本申请实施例提供的较佳螺旋圈数的S11曲线图，如图24及表8所示，在这几种情况下，天线均具有四个谐振，并且三个天线的第一、第二个谐振频率以及带宽基本相同。不同螺旋线圈数对第一、第二谐振影响很小，对于第三、第四谐振影响大，三个天线在高频段的带宽都得到拓宽。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种宽频带螺旋天线，其特征在于，包括：

空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧，所述螺旋金属线上还设有馈电点和短路点，所述短路点用于导通螺旋金属线和金属地。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述短路点的数量为一个或一个以上。

3.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述短路点处设有控制开关，所述控制开关用于控制所述短路点处螺旋金属线和金属地之间的连接或断开状态，调整谐振频率。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述螺旋金属线含有控制开关，所述控制开关用于控制金属线的连接或断开状态，调整螺旋金属线的圈数，从而调整谐振频率。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述螺旋金属线的数量为两个或两个以上，所述两个或两个以上螺旋金属线分别位于所述馈电点沿所述空心圆柱体轴线方向的两侧。

6.一种宽频带螺旋天线的设计方法，其特征在于，所述螺旋天线包括空心圆柱体和螺旋金属线，所述空心圆柱体的内层为金属地，所述空心圆柱体的外层为磁性材料，所述螺旋金属线缠绕在所述磁性材料的外侧；

所述方法包括通过增加用于导通螺旋金属线和金属地的短路点，降低谐振频率、激励多个谐振、提高天线带宽。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：通过增加螺旋金属线的数量降低谐振频率、激励多个谐振、提高天线带宽。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：通过调整所述短路点的位置，调整谐振频率。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：通过调整螺旋金属线的圈数，提高螺旋线之间的耦合激励多个谐振、提高天线带宽。

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