CN110970727A - 螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螺旋天线，包括印制电路板以及设置在印制电路板上方的辐射主体，辐射主体包括至少一个主螺旋臂和至少一个寄生螺旋臂，每个主螺旋臂对应至少一个寄生螺旋臂，且每个主螺旋臂与其所对应的寄生螺旋臂呈平行间隔设置；其中，每个主螺旋臂的第一端与其所对应的寄生螺旋臂的第一端电连接在一起，以形成螺旋天线的馈电输出端；主螺旋臂的第二端以及寄生螺旋臂的第二端均浮接；寄生螺旋臂的长度大于与其所对应的主螺旋臂的长度，且寄生螺旋臂超出主螺旋臂的部分的螺旋升角小于寄生螺旋臂未超出主螺旋臂的部分的螺旋升角。本发明的螺旋天线，其频率带宽可以扩大到6％，并且，螺旋天线的结构更加紧凑。

Description

螺旋天线
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种螺旋天线。
背景技术
一般地，全球卫星定位天线多是基于微带片状天线理论的微带陶瓷或微波介质片状天线，这种天线使用陶瓷为介质材料制成不同厚度的正方形或圆形天线片，然后在天线片两边使用低温焙银工艺形成反射面和辐射面再通过馈针馈电形成卫星导航天线。
但是，上述的定位天线存在诸多缺点，例如，陶瓷天线介电常数高，这会导致天线的频率带宽很窄，并且，微波介质片状天线尺寸较大。此外，该种结构的定位天线，对辐射面的尺寸精度要求非常高，常常需要在网络分析仪上进行手工调试使中心频率符合要求的频率范围。而且，陶瓷材料比重大，导致定位天线的重量比较大，并且，微带片状天线的增益还容易受到反射地平面的尺寸和形状的影响。
此外，在无人机天线领域，目前大量应用的多是基于美国约翰霍普金斯大学Kilgus提出的四根各长入/2的导线分别绕成半圈螺旋的四绕半圈螺旋天线。近几年也出现了采用两组螺旋长度为1/4波长的双四绕螺旋，并加入了调谐条进行频率分离匹配。
但是，上述螺旋天线频率带宽仅能达到4％，仅能覆盖GPS\BDS或者GPS\GLONASS，上述1/2波长绕半圈的四绕螺旋属于谐振式，只有约4％的窄频带，这无法完全覆盖现有主流全球卫星导航频率。而对于1/4波长的四绕螺旋，其频率带宽更窄，在GPS L1频率带宽仅为30MHz左右，更不能全覆盖主流卫星定位系统频率。
发明内容
为解决上述问题，本发明实施例提出了一种螺旋天线，能够增大频率带宽。
本发明实施例提供的螺旋天线，包括印制电路板以及设置在所述印制电路板上方的辐射主体，所述辐射主体包括至少一个主螺旋臂和至少一个寄生螺旋臂，每个所述主螺旋臂对应至少一个所述寄生螺旋臂，且每个所述主螺旋臂与其所对应的所述寄生螺旋臂呈平行间隔设置；其中，
每个所述主螺旋臂的第一端与其所对应的所述寄生螺旋臂的第一端电连接在一起，以形成所述螺旋天线的馈电输出端；
所述主螺旋臂的第二端以及所述寄生螺旋臂的第二端均浮接；
所述寄生螺旋臂的长度大于与其所对应的所述主螺旋臂的长度，且所述寄生螺旋臂超出所述主螺旋臂的部分的螺旋升角小于所述寄生螺旋臂未超出所述主螺旋臂的部分的螺旋升角。
可选地，所述印制电路板朝向所述辐射主体的一面设置有馈电网络，所述印制电路板背离所述辐射主体的一面设置有信号处理电路；其中，
所述馈电网络的输入端与各所述馈电输出端电连接，所述馈电网络的输出端与所述信号处理电路的输入端电连接；
所述馈电网络，用于将各所述馈电输出端所输出的信号进行合成，以获得圆极化信号；
所述信号处理电路，用于对所述圆极化信号进行预定处理，以期获得符合要求的目标信号。
可选地，所述馈电网络包括移相器和巴伦，所述移相器的输入端与各所述馈电输出端电连接，所述移相器的输出端与所述巴伦的输入端电连接，所述巴伦的输出端与所述信号处理电路的输入端电连接。
可选地，所述信号处理电路包括双工滤波器、低噪声放大器、双工合路器和驱动放大器，其中，
所述双工滤波器的输入端与所述馈电网络的输出端电连接，所述双工滤波器的输出端与所述低噪声放大器的输入端电连接；
所述双工合路器的输入端与所述低噪声放大器的输出端电连接，所述双工合路器的输出端与所述驱动放大器的输入端电连接；
所述驱动放大器的输出端用于与卫星定位接收机电连接。
可选地，所述印制电路板上设置有贯穿其厚度方向的过孔，所述双工滤波器的输入端经由所述过孔与所述馈电网络的输出端电连接。
可选地，所述主螺旋臂的螺旋升角的范围为20°～25°。
可选地，所述螺旋天线还包括柔性印制电路板，所述柔性印制电路板卷制成圆柱形、圆锥形或者方柱形，所述辐射主体环绕在所述柔性印制电路板的外周面上。
可选地，所述辐射主体采用镀铜或低温焙银工艺形成在所述柔性印制电路板的外周面上。
可选地，所述辐射主体采用0.707波长的微带线在所述柔性印制电路板的外周面上绕制形成。
可选地，所述印制电路板的厚度的范围为0.5mm～2mm。
可选地，所述辐射主体包括4个所述主螺旋臂和4个所述寄生螺旋臂。
可选地，每个所述寄生螺旋臂超出与其所对应的所述主螺旋臂0.2圈～0.4圈。
本发明提供的螺旋天线，辐射主体包括至少一个主螺旋臂和至少一个寄生螺旋臂，且每个主螺旋臂与其所对应的寄生螺旋臂呈平行间隔设置，这样，主螺旋臂可以使得谐振在频率较高频率段，寄生螺旋臂可以使得谐振在频率较低频率段，从而可以使得螺旋天线的频率带宽扩大到6％，达到覆盖双频GPS\BDS\GLONASS卫星导航频率和L-Band频率的目的。此外，寄生螺旋臂超出主螺旋臂的部分的螺旋升角小于寄生螺旋臂未超出主螺旋臂的部分的螺旋升角，能够在保证螺旋天线必要的性能的情况下，尽量降低尺寸，使得螺旋天线的结构更加紧凑。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明第一实施例中螺旋天线的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中辐射主体处于展平状态的结构示意图；
图3为本发明第三实施例中馈电网络的结构示意图；
图4为本发明第四实施例中螺旋天线的电路原理结构图；
图5为本发明第五实施例中螺旋天线的高频段增益方向图；
图6为本发明第六实施例中螺旋天线的低频段增益方向图；
图7为本发明第七实施例中螺旋天线的馈电点S参数的示意图；
图8为本发明第八实施例中螺旋天线的极化轴比的示意图。
100-螺旋天线；110-印制电路板；111-馈电网络；111a-移相器；111b-巴伦；120-辐射主体；121-主螺旋臂；122-寄生螺旋臂；130-双工滤波器；140-低噪声放大器；150-滤波器；160-双工合路器；170-柔性印制电路板；180-驱动放大器；200-卫星定位接收机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1和图2所示，本发明涉及一种螺旋天线100，该螺旋天线100包括印制电路板110以及设置在印制电路板110上方的辐射主体120。该辐射主体120包括至少一个主螺旋臂121和至少一个寄生螺旋臂122，其中，每个主螺旋臂121对应至少一个寄生螺旋臂122，且每个主螺旋臂121与其所对应的寄生螺旋臂122呈平行间隔设置。每个主螺旋臂121的第一端与其所对应的寄生螺旋臂122的第一端电连接在一起，以形成螺旋天线100的馈电输出端OUT。每个主螺旋臂121的第二端以及寄生螺旋臂122的第二端均浮接，所谓的浮接是指：主螺旋臂121的第二端以及寄生螺旋臂122的第二端均呈开路状态。并且，寄生螺旋臂122的长度大于与其所对应的主螺旋臂121的长度，且寄生螺旋臂122超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角β小于寄生螺旋臂122未超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角a。
具体地，如图1所示，螺旋天线100的辐射主体120可以包括4个主螺旋臂121和4个寄生螺旋臂122，当然，还可以根据实际需要，选择其他数量的主螺旋臂121和寄生螺旋臂122等。该4个主螺旋臂121的第一端(如图1中所示，靠近印制电路板110的一端)与寄生螺旋臂122的第一端(如图1中所示，靠近印制电路板110的一端)电连接在一起，例如，主螺旋臂121的第一端和寄生螺旋臂122的第一端可以经由金属连接件电连接在一起，也可以采用其他的电连接方式。该4个主螺旋臂121的第二端以及4个寄生螺旋臂122的第二端均呈开路状态。并且，如图2所示，寄生螺旋臂122的顶端部分的螺旋升角β小于其低端部分的螺旋升角α。
本实施例结构的螺旋天线100，其辐射主体120包括至少一个主螺旋臂121和至少一个寄生螺旋臂122，且每个主螺旋臂121与其所对应的寄生螺旋臂122呈平行间隔设置，这样，主螺旋臂121可以使得谐振在频率较高频率段，寄生螺旋臂122可以使得谐振在频率较低频率段，从而可以使得螺旋天线100的频率带宽扩大到6％，达到覆盖双频GPS\BDS\GLONASS卫星导航频率和L-Band频率的目的。此外，寄生螺旋臂122超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角小于寄生螺旋臂122未超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角，能够在保证螺旋天线100必要的性能的情况下，尽量降低尺寸，使得螺旋天线100的结构更加紧凑。
如图1和图3所示，印制电路板110朝向辐射主体120的一面设置有馈电网络111，并且，印制电路板110的该面可以为接地面，以构成螺旋天线100的反射面。印制电路板110可以为FR-4多层板材，其板厚可以为0.5mm～2mm。印制电路板110背离辐射主体120的一面设置有信号处理电路。其中，馈电网络111的输入端与各馈电输出端OUT电连接，馈电网络111的输出端与信号处理电路的输入端电连接。该馈电网络111，用于将各馈电输出端OUT所输出的信号进行合成，以获得圆极化信号。
具体地，如图3和图4所示，馈电网络111可以包括两个移相器111a(该移相器111a可以为90度移相器)和一个巴伦111b(该巴伦111b可以是一个180度巴伦)，其中一个移相器111a的输入端与两个馈电输出端OUT1、OUT2电连接，另外一个移相器111a的输入端与剩余的两个馈电输出端OUT3、OUT4电连接，并且，该两个移相器111a的输出端与巴伦111b的输入端电连接。巴伦111b的输出端与信号处理电路的输入端电连接。
具体地，如图4所示，信号处理电路包括双工滤波器130、低噪声放大器140、双工合路器160和驱动放大器180。其中，双工滤波器130的输入端与巴伦111b的输出端电连接，双工滤波器130的输出端与低噪声放大器140的输入端电连接。双工合路器160的输入端与低噪声放大器140的输出端电连接，双工合路器160的输出端与驱动放大器180的输入端电连接，驱动放大器180的输出端用于与卫星定位接收机200电连接。
具体地，为了实现印制电路板110上馈电网络111与信号处理电路的电连接，可以在印制电路板110上设置有贯穿其厚度方向的过孔(图中并未示出)，这样，双工滤波器130的输入端可以经由过孔与馈电网络111的输出端电连接。
下文对螺旋天线100的具体信号传输过程进行说明，以螺旋天线100包括4个主螺旋臂121和4个寄生螺旋臂122为例进行解释：
具体地，如图1、图3和图4所示，4个主螺旋臂121和4个寄生螺旋臂122形成了4个馈电输出端OUT1、OUT2、OUT3和OUT4，该4个馈电输出端OUT1、OUT2、OUT3和OUT4通过与印制电路板110焊接将信号耦合输送到印制电路板110上的馈电网络111，馈电网络111将正交的信号合成圆极化信号，通过印制电路板110上的过孔后送入底层的信号处理电路，在通过双工滤波器130滤出高频段和低频段信号，低噪声放大器140分别放大接收的两个频段的卫星导航信号后再通过滤波器150进行二级滤波，再通过双工合路器160进行合成，然后通过驱动放大器180放大，最后通过电缆送入卫星定位接收机200。
可选地，如图2所示，上述主螺旋臂121的螺旋升角α的范围可以为20°～25°，相应地，寄生螺旋臂122未超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角α的范围也是20°～25，寄生螺旋臂122超出主螺旋臂121的部分的螺旋升角β可以为6°～10°。
可选地，如图1和图2所示，螺旋天线100还包括柔性印制电路板170，该柔性印制电路板170卷制成圆柱形、圆锥形或者方柱形，辐射主体120环绕在柔性印制电路板170的外周面上。
可选地，辐射主体120中主螺旋臂121在柔性印制电路板170的外周面上环绕1圈，辐射主体120中寄生螺旋臂122在柔性印制电路板170的外周面上环绕1.3圈。
具体地，辐射主体120可以采用镀铜或低温焙银工艺形成在柔性印制电路板170的外周面上。
此外，辐射主体120可以采用0.707波长的微带线在柔性印制电路板170的外周面上绕制形成。
具体地，柔性印制电路板170可以为聚四氟乙烯板材，在该柔性印制电路板170上，可以按照特定的螺旋升角和长度布局微带线，再卷制成螺旋线，从而形成辐射主体120。
可选地，如图1和图2所示，每个寄生螺旋臂122超出与其所对应的主螺旋臂121的圈数可以为0.2圈～0.4圈，优选地为0.3圈。
本发明的螺旋天线100，如图5和图6所示，在双频GPS\BDS\GLONASS卫星导航频率和L-Band的最大增益超过3dBi，天线在20度低仰角增益为-1.2dBi。如图7所示，馈电输出端的反射大于9dB，满足螺旋天线需求。如图8所示，螺旋天线轴向极化轴比0.07dB，低仰角小于2dB，达到现有技术水平。此外，本发明的螺旋天线100，还可以有效降低螺旋天线100的尺寸，使得螺旋天线100的结构紧凑。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (12)

1.一种螺旋天线，其特征在于，包括印制电路板以及设置在所述印制电路板上方的辐射主体，所述辐射主体包括至少一个主螺旋臂和至少一个寄生螺旋臂，每个所述主螺旋臂对应至少一个所述寄生螺旋臂，且每个所述主螺旋臂与其所对应的所述寄生螺旋臂呈平行间隔设置；其中，
每个所述主螺旋臂的第一端与其所对应的所述寄生螺旋臂的第一端电连接在一起，以形成所述螺旋天线的馈电输出端；
所述主螺旋臂的第二端以及所述寄生螺旋臂的第二端均浮接；
所述寄生螺旋臂的长度大于与其所对应的所述主螺旋臂的长度，且所述寄生螺旋臂超出所述主螺旋臂的部分的螺旋升角小于所述寄生螺旋臂未超出所述主螺旋臂的部分的螺旋升角。
2.根据权利要求1所述的螺旋天线，其特征在于，所述印制电路板朝向所述辐射主体的一面设置有馈电网络，所述印制电路板背离所述辐射主体的一面设置有信号处理电路；其中，
所述馈电网络的输入端与各所述馈电输出端电连接，所述馈电网络的输出端与所述信号处理电路的输入端电连接；
所述馈电网络，用于将各所述馈电输出端所输出的信号进行合成，以获得圆极化信号；
所述信号处理电路，用于对所述圆极化信号进行预定处理，以期获得符合要求的目标信号。
3.根据权利要求2所述的螺旋天线，其特征在于，所述馈电网络包括移相器和巴伦，所述移相器的输入端与各所述馈电输出端电连接，所述移相器的输出端与所述巴伦的输入端电连接，所述巴伦的输出端与所述信号处理电路的输入端电连接。
4.根据权利要求2所述的螺旋天线，其特征在于，所述信号处理电路包括双工滤波器、低噪声放大器、双工合路器和驱动放大器，其中，
所述双工滤波器的输入端与所述馈电网络的输出端电连接，所述双工滤波器的输出端与所述低噪声放大器的输入端电连接；
所述双工合路器的输入端与所述低噪声放大器的输出端电连接，所述双工合路器的输出端与所述驱动放大器的输入端电连接；
所述驱动放大器的输出端用于与卫星定位接收机电连接。
5.根据权利要求4所述的螺旋天线，其特征在于，所述印制电路板上设置有贯穿其厚度方向的过孔，所述双工滤波器的输入端经由所述过孔与所述馈电网络的输出端电连接。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的螺旋天线，其特征在于，所述主螺旋臂的螺旋升角的范围为20°～25°。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的螺旋天线，其特征在于，所述螺旋天线还包括柔性印制电路板，所述柔性印制电路板卷制成圆柱形、圆锥形或者方柱形，所述辐射主体环绕在所述柔性印制电路板的外周面上。
8.根据权利要求7所述的螺旋天线，其特征在于，所述辐射主体采用镀铜或低温焙银工艺形成在所述柔性印制电路板的外周面上。
9.根据权利要求1-5所述的螺旋天线，其特征在于，所述辐射主体为0.707波长的微带线。
10.根据权利要求1至5中任意一项所述的螺旋天线，其特征在于，所述印制电路板的厚度的范围为0.5mm～2mm。
11.根据权利要求1至5中任意一项所述的螺旋天线，其特征在于，所述辐射主体包括4个所述主螺旋臂和4个所述寄生螺旋臂。
12.根据权利要求1至5中任意一项所述的螺旋天线，其特征在于，每个所述寄生螺旋臂超出与其所对应的所述主螺旋臂0.2圈～0.4圈。
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