CN111224230B - 基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线。螺旋天线结构和天线支撑结构位于天线罩内，底部介质板位于天线罩的底部；天线罩的槽体内封装有液态金属；螺旋天线结构包括螺旋天线和馈电金属柱，螺旋天线采用变升角螺旋结构；螺旋天线内封装有液态金属；底部介质板包括T型匹配枝节、圆形介质板和同轴馈电部分，T型匹配枝节的一端与同轴馈电部分连接，另一端与馈电金属柱连接；天线支撑结构包括支撑柱和支撑圆台，支撑圆台设置在圆形介质板上。本发明在天线罩的设计中引入了液体金属，使得轴比波束带宽得到了提高；T型匹配枝节的引入和变升角的螺旋天线结构，提高了天线的轴向增益并减小了其体积，充分满足多模卫星导航的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线。属于天线技术领域。
背景技术
随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的高速发展，系统对于接收端的性能要求也在不断提高，而天线作为卫星导航系统的射频最前端器件，其性能的好坏直接影响导航系统的质量，所以高性能卫星导航天线引起了人们的广泛关注。天线的圆极化特性能有效克服多径衰减以及大气电离层的法拉第旋转效应对信号接收的影响。轴向模螺旋天线由于具有宽频带、高增益和低轴比等特点，而被广泛应用于导航卫星通信。
近年来，众多学者对螺旋天线的研究主要趋向于小型化、宽带化和多模化，并经过对传统螺旋天线的大量理论分析和试验研究提出可以通过增加螺旋圈数以提高天线增益；在螺旋天线的电流波节点处截断能够减少天线的螺旋圈数以降低天线高度；采用指数渐变螺距能够改善天线的圆极化特性；采用变升角螺旋结构可以改善天线增益等方法来改善螺旋天线性能，但是众多性能的改善不能兼得，而限制了导航接收系统的性能发展。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特点是：包括天线罩、螺旋天线结构、天线支撑结构和底部介质板；螺旋天线结构和天线支撑结构位于天线罩内，螺旋天线结构套设在天线支撑结构上，底部介质板位于天线罩的底部；
天线罩包括槽体，槽体内封装有液态金属；
螺旋天线结构包括螺旋天线和馈电金属柱，螺旋天线采用变升角螺旋结构；馈电金属柱设置在螺旋天线的底部，螺旋天线包括螺旋状软管；螺旋状软管内封装有液态金属；
底部介质板由上而下包括T型匹配枝节、圆形介质板、圆形接地板和同轴馈电部分，T型匹配枝节的一端与同轴馈电部分连接，T型匹配枝节的另一端与馈电金属柱连接；
天线支撑结构包括支撑柱和支撑圆台，支撑柱设置在支撑圆台的顶部，支撑圆台设置在圆形介质板上。
进一步的，液态金属为镓铟合金。
进一步的，天线罩包括顶部和柱体部；顶部呈空心的锥状，顶部包括锥状外壁和锥状空气腔；
柱体部包括圆柱外壁，圆柱空气腔和槽体和，槽体上均匀开有四个豁口。
进一步的，天线罩采用3D打印机加工制作，材质采用光敏树脂材料。
进一步的，螺旋天线由上而下包括螺旋状软管和拐角过渡部分，所述螺旋状软管采用介电常数为的塑料制成，所述天线支撑结构采用介电常数为的泡沫制成。
进一步的，螺旋天线沿着支撑柱和支撑圆台以Z轴方向按右手规律上升。
进一步的，工作于GNSS频段。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，在天线罩的设计中引入了液体金属，使得轴比波束带宽得到了提高；T型匹配枝节的引入和两圈变升角的螺旋天线结构，提高了天线的轴向增益并减小了其体积，充分满足多模卫星导航的需求。
2、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，螺旋天线采用两圈变升角螺旋结构，并且螺旋状软管内注射液态技术，既满足了天线的小型化需求，又提高了螺旋天线的轴向增益。
3、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，天线罩采用3D打印机加工制作，材质采用光敏树脂材料；增加了螺旋天线的轴比波束带宽，同时为天线户外使用的稳定性提供了保障。
4、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，采用向槽体内注射液态金属这种方法，为天线罩的可重构性的实现提供了便利条件。
5、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，螺旋天线状软管采用介电常数为1的塑料材质支撑，天线支撑结构采用介电常数为的泡沫材质制成，在实现对螺旋天线的定型支撑作用同时，也不会影响天线的辐射效果。
6、本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，工作于GNSS频段，实现了多模工作，且结构稳定，体积小，增益高，具有较宽的轴比波束带宽，适用于大多数卫星导航系统。
附图说明
图1为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线的结构示意图。
图2为图1的爆炸图。
图3为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线的S11曲线。
图4为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线在1.21GHz处的增益图。
图5为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线在1.21GHz处的轴比图。
图6为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线在1.575GHz处的增益图。
图7为本发明一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线在1.575GHz处的轴比图。
图中：
天线罩1，顶部11，锥状外壁111，锥状空气腔112，柱体部12，圆柱外壁121，圆柱空气腔122，槽体123，槽体内封装的液态金属124，螺旋天线结构2，螺旋天线21，螺旋状软管211，软管内封装的液态金属212，拐角过渡部分213，馈电金属柱22，天线支撑结构3，支撑柱31，支撑圆台32，底部介质板4，T型匹配枝节41，圆形介质板42，圆形接地板43，同轴馈电部分44。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
2009年发现镓铟合金，在室温下呈液态，具备天线所需的电特性，是一种可替代铜的新型天线材料。采用液态作为材料制成的天线具有铜材质所不具备的特性，如反复弯折不会导致材料疲劳，以及在受到外力作用被截断或弯曲时具有自我修复能力等。
参见图1-2，本发明涉及一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，包括天线罩1、螺旋天线结构2、天线支撑结构3和底部介质板4，天线罩1包括顶部11和柱体部12；螺旋天线结构2和天线支撑结构3位于天线罩1内，螺旋天线结构2套设在天线支撑结构3上，底部介质板4位于天线罩1的底部，顶部11呈空心的锥状，顶部11包括锥状外壁111和锥状空气腔112；
柱体部12包括圆柱外壁121，圆柱空气腔122、槽体123和槽体内封装的液态金属124，槽体123上均匀开有四个豁口；注射针管经四个豁口向槽体123内注射液态金属，并加以封装。
天线罩1采用3D打印机加工制作，材质采用光敏树脂材料；增加了螺旋天线的轴比波束带宽，同时为天线户外使用的稳定性提供了保障；采用向槽体123内注射液态金属这种方法，为天线罩1的可重构性的实现提供了便利条件；
螺旋天线结构2包括螺旋天线21和馈电金属柱22，螺旋天线21采用变升角螺旋结构，可增大轴向模螺旋天线的增益；馈电金属柱22设置在螺旋天线21的底部，螺旋天线21由上而下包括螺旋状软管211、软管内封装的液态金属212和拐角过渡部分213，所述螺旋状软管211采用介电常数为1的塑料制成；注射针管向螺旋状软管211内注射液态金属，并加以封装；
螺旋天线21采用两圈变升角螺旋结构，并且螺旋状软管211内注射液态技术，既满足了天线的小型化需求，又提高了螺旋天线21的轴向增益。
底部介质板4包括T型匹配枝节41、圆形介质板42、圆形接地板43和同轴馈电部分44，T型匹配枝节41的一端与同轴馈电部分44连接，T型匹配枝节41的另一端与馈电金属柱22连接，
天线支撑结构3包括支撑柱31和支撑圆台32，支撑柱31设置在支撑圆台32的顶部，支撑圆台32设置在圆形介质板42上，所述天线支撑结构3采用介电常数为1的泡沫制成；
支撑结构3采用了坡状圆台到圆柱的渐变结构，不仅很好地支撑固定了螺旋状软管21，还缩减了支撑结构的体积，减小其对螺旋天线辐射效果的影响。
变升角螺旋天线21沿着支撑柱31和支撑圆台32以Z轴方向按右手规律上升；
本发明通过调整T型匹配枝节41的尺寸和馈电金属柱22的粗细，来改善天线的匹配效果；
本发明的螺旋天线状软管211采用介电常数为1的塑料材质支撑，天线支撑结构3采用介电常数为1的泡沫材质制成，在实现对螺旋天线的定型支撑作用同时，也不会影响天线的辐射效果。
本发明工作于GNSS频段，实现了多模工作，且结构稳定，体积小，增益高，具有较宽的轴比波束带宽，适用于大多数卫星导航系统。
参见图3，本发明多模卫星导航螺旋天线的10dB阻抗带宽覆盖0.86GHz到1.70GHz频段，在1.21GHz和1.575GHz工作频段上天线的回波损耗大于15dB，说明天线在1.21GHz与1.575GHz频段内天线匹配良好
实施例一：
参见图4，本发明提出的多模卫星导航螺旋天线在1.21GHz频点时最大增益为8.23dB，半功率波束宽度为71.9°。
参见图5，本发明提出的多模卫星导航螺旋天线在1.21GHz频点时天线的3-dB轴比波束宽度为115°，天线的3-dB轴比波束宽度较宽，说明本发明提出的天线在1.21GHz频点下可以接收较宽角度内的圆极化信号。
实施例二：
参见图6，本发明提出的多模卫星导航螺旋天线在1.575GHz频点时最大增益为8.07dB，在1.575GHz频点时半功率波束宽度为75°。说明本发明提出的天线在1.575GHz频点下可以接收较宽角度内的卫星信号。
参见图7，本发明提出的多模卫星导航螺旋天线在1.575GHz频点时的3-dB轴比波束宽度为139°，天线的3-dB轴比波束宽度较宽，说明本发明提出的天线在1.575GHz频点下可以接收较宽角度内的圆极化信号。
在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。
Claims (7)
1.一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：包括天线罩、螺旋天线结构、天线支撑结构和底部介质板；螺旋天线结构和天线支撑结构位于天线罩内，螺旋天线结构套设在天线支撑结构上，底部介质板位于天线罩的底部；
天线罩包括槽体，槽体内封装有液态金属；
螺旋天线结构包括螺旋天线和馈电金属柱，螺旋天线采用变升角螺旋结构；馈电金属柱设置在螺旋天线的底部，螺旋天线包括螺旋状软管；螺旋状软管内封装有液态金属；
底部介质板由上而下包括T型匹配枝节、圆形介质板、圆形接地板和同轴馈电部分，T型匹配枝节的一端与同轴馈电部分连接，T型匹配枝节的另一端与馈电金属柱连接；
天线支撑结构包括支撑柱和支撑圆台，支撑柱设置在支撑圆台的顶部，支撑圆台设置在圆形介质板上；
通过调整T型匹配枝节的尺寸和馈电金属柱的粗细，来改善天线的匹配效果；
工作频带为0.86GHz到1.70GHz， 1.2 GHz处3-dB轴比波束宽度为115°，在1.575 GHz处的3-dB轴比波束宽度为139°，螺旋天线的轴比波束带宽得到了提高。
2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：液态金属为镓铟合金。
3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：天线罩包括顶部和柱体部；顶部呈空心的锥状，顶部包括锥状外壁和锥状空气腔；
柱体部包括圆柱外壁，圆柱空气腔和槽体和，槽体上均匀开有四个豁口。
4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：天线罩采用3D打印机加工制作，材质采用光敏树脂材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：螺旋天线由上而下包括螺旋状软管和拐角过渡部分，所述螺旋状软管采用介电常数为的塑料制成，所述天线支撑结构采用介电常数为的泡沫制成。
6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：螺旋天线沿着支撑柱和支撑圆台以Z轴方向按右手规律上升。
7.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的多模卫星导航螺旋天线，其特征在于：工作于GNSS频段。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20221011 |