CN111585015A - 微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线 - Google Patents

微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线 Download PDF

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Abstract

微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，涉及卫星导航领域。微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，包括接地板，以及固定在接地板上的螺旋天线主体，所述螺旋天线主体包括沿接地板边缘环绕封闭的介质层，所述介质层外表面设有金属层，所述金属层上镂空开槽后凹槽形成缝隙螺旋天线，所述缝隙螺旋天线数量为八条，所有缝隙螺旋天线均匀环绕整个介质层；所述介质层内表面设有微带馈线，所述微带馈线通过同轴探针与接地板连接。本发明克服了现有技术中螺旋天线馈电方式复杂，增益带宽的范围提高也不够大，无法满足更高的要求的问题，提出了一种在小型化的情况极大提高了增益带宽范围，且通过简单的馈电方式实现有效辐射和圆极化的可应用在卫星导航系统终端设备中的螺旋天线。

Description

微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线
技术领域
本发明属于卫星导航领域，尤其是涉及微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线。
背景技术
天线作为无线通信系统的终端设备，它能将空间中的电磁波辐射转换为电信号，是通信系统的核心部件，其性能的好坏直接影响着通信的质量。由于四臂螺旋天线辐射的圆极化方向图呈心形，具有较宽的波束宽度，以及良好的高低仰角圆极化性能等优点，四臂螺旋天线现在己经成为了卫星导航系统的主要天线形式之一。
随着卫星通信和导航技术的快速发展，市场对于天线产品的要求越来越高。目前越来越多的天线产品进行了小型化的设计，以满足可以集成在便携式终端设备中使用，但在实现天线结构小型化中，如何保证并提升天线性能是必须解决的问题。
例如，发明专利申请公开号CN107834175A，公开日2018年3月23日，发明的名称为一种小型化顶部加载双频四臂螺旋天线及其工作方法，该申请案公开了一种小型化顶部加载双频四臂螺旋天线及其工作方法，包括天线罩、螺旋天线主体、馈电网络与有源放大电路、屏蔽腔体、底座及同轴引线；同轴引线的一端与馈电网络及有源放大电路接触连接，另一端用于连接接收组件；馈电网络及有源放大电路与螺旋天线主体连接；天线罩用与底座上下可拆卸连接；屏蔽腔体与馈电网络及有源放大电路板连接；螺旋天线主体包括两组四臂螺旋天线，第一组四臂螺旋天线用于激励低频，第二组四臂螺旋天线用于激励高频；每组四臂螺旋天线分别由4条结构相同的螺旋臂单元按同一方向等间距螺旋组成。本发明虽然结构紧凑，在不增加天线体积的同时，拓展工作的频带，提高增益带宽，实现小型化，但是该螺旋天线馈电方式复杂，金属条构成螺旋天线使得整个天线易受外力变形断裂从而影响天线性能，增益带宽的范围提高也不够大，无法满足更高的要求。
发明内容
本发明克服了现有技术中螺旋天线馈电方式复杂，增益带宽的范围提高也不够大，无法满足更高的要求的问题，提出了一种在小型化的情况极大提高了增益带宽范围，且通过简单的馈电方式实现有效辐射和圆极化的可应用在卫星导航系统终端设备中的螺旋天线。
微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，包括接地板，以及固定在接地板上的螺旋天线主体，所述螺旋天线主体包括沿接地板边缘环绕封闭的介质层，所述介质层外表面设有金属层，所述金属层上镂空开槽后凹槽形成缝隙螺旋天线，所述缝隙螺旋天线数量为八条，所有缝隙螺旋天线均匀环绕整个介质层；所述介质层内表面设有微带馈线，所述微带馈线通过同轴探针与接地板连接。
接地板为金属的，外来的信号能量通过同轴探针在接地板和接地板上方的微带馈线之间进行馈电，馈电产生的电流通过微带馈线耦合到环绕整个介质层的缝隙螺旋天线，缝隙螺旋天线再辐射信号到外界。这样馈电方式和现有的复杂电路馈电方式比较在实现所需功能情况下非常简单且容易操作。而且金属层上镂空开槽后凹槽形成缝隙螺旋天线，这样的天线和现有的金属条构成天线相比不易变形，刚性更强，更加稳定。
作为优选，所述缝隙螺旋天线自下向上环绕整个介质层。
自下向上的环绕使得馈电产生的电流通过微带馈线耦合到环绕整个介质层的缝隙螺旋天线后，可以更好地自下而上的辐射信号到外界，而且辐射产生的电磁场是旋转的，实现了圆极化，更适合应用在卫星导航系统终端设备中。
作为优选，所述缝隙螺旋天线之间互不交接。
缝隙螺旋天线之间互不交接，使得缝隙螺旋天线可以更好的辐射信号到外界，辐射方向更加协调，这样设置也使得辐射产生的电磁场为旋转的，能够更好的圆极化。
作为优选，L1为缝隙螺旋天线长度，L1=λ/2，λ为螺旋天线工作中心频率的介质波长。
缝隙螺旋天线长度设置为螺旋天线工作中心频段中心频率的介质波长长度的一半，这样便于产生谐振，使得缝隙螺旋天线产生的电场更大，辐射更强。
作为优选，所述微带馈线环绕环形介质层设置且经过全部缝隙螺旋天线。
微带馈线经过全部缝隙螺旋天线是为了馈电产生的电流能够耦合到全部的缝隙螺旋天线。
作为优选，所述微带馈线弯折多次环绕于所述介质层，多次弯折用于优化馈电的方位，优化馈线对各缝隙螺旋天线的馈电幅度和相位。
微带馈线弯折环绕可以提高馈电产生的电流通过微带馈线耦合到缝隙螺旋天线时的效率，多次弯折更是用于优化馈电的方位，优化馈线对各缝隙螺旋天线的馈电幅度和相位。
作为优选，环绕所述介质层内表面至少一个介质层周长。
微带馈线环绕所述介质层内表面至少一个介质层周长可以使得微带馈线传输电流更全面和均匀。
作为优选，当微带馈线环绕所述介质层内表面超过一个介质层周长时，超过一个介质层周长的部分用于调节在各螺旋缝隙天线处耦合馈电的幅度和相位。
重复环绕用于调节在各螺旋缝隙天线处耦合馈电的幅度和相位，使得螺旋缝隙天线耦合性能更稳定。
作为优选，所述微带馈线的长度为L2，L2=λ/4+n*λ/2，n为正整数。
微带馈线长度的设置便于产生谐振，使得通过微带馈线的电流更大。
作为优选，所述微带馈线通过同轴探针与接地板的中心的激励端口连接。
中心连接的方式使得接收外来信号时接收的更全面。
与现有技术相比，本发明的优点是：在天线小型化的情况下通过缝隙螺旋天线极大提高了增益带宽范围。馈电方式更加简单和便于操作。天线实现了有效辐射和很好的圆极化，非常适用于在卫星导航系统终端设备中。天线性能稳定，缝隙螺旋天线长度和微带馈线长度是设置使得能量使用最大化。
附图说明
图1为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的立体图；
图2为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的正视图；
图3为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的平面展开示意图；
图4为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的俯视图；
图5为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的反射系数仿真结果图；
图6为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线的圆极化轴比带宽仿真结果图；
图7为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线右旋方形图；
图8为本发明微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线左旋方形图。
图中：1-螺旋天线主体，11-介质层，12-金属层，2-缝隙螺旋天线，3-微带馈线，4-接地板，5-同轴探针，6-激励端口。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1-4所示，微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，包括接地板4，以及固定在接地板4上的螺旋天线主体1，所述螺旋天线主体1包括沿接地板4边缘环绕封闭的介质层11，所述介质层11外表面设有金属层12，所述金属层12上镂空开槽后凹槽形成缝隙螺旋天线2，所述缝隙螺旋天线2数量为八条，所有缝隙螺旋天线2均匀环绕整个介质层11；所述介质层11内表面设有微带馈线3，所述微带馈线3通过同轴探针5与接地板4连接。
接地板4为金属的，外来的信号能量通过同轴探针5在接地板4和接地板4上方的微带馈线3之间进行馈电，馈电产生的电流通过微带馈线3耦合到环绕整个介质层11的缝隙螺旋天线2，缝隙螺旋天线2再辐射信号到外界。馈电方式在实现所需功能情况下非常简单且容易操作。
例如，接地板4可以是圆形，螺旋天线主体1环绕接地板4边缘封闭，螺旋天线主体1和接地板4两者构成圆柱结构。又例如图1，接地板4是方形，螺旋天线主体1环绕接地板4边缘封闭，螺旋天线主体1和接地板4两者构成立方体。则，所述接地板4形状不限于圆形、方形，还可以是椭圆形、其他多边形等形状。接地板4与螺旋天线主体1之间将内部接缝处焊接连接，焊接的方式使得接地板4与螺旋天线主体1之间可以相互导电。
例如，镂空开槽的形状可以是直线型的，也可以如图3所示是弯折形的，这样的弯折使单个槽可以涉及更大的范围，有利于圆极化。单个槽的宽度可以是渐变的，即逐渐变宽或逐渐变窄，也可以如图3宽度是固定的，固定是宽度使得传输的信息不易丢失同时天线辐射信号更加稳定。每个槽可以按照不同角度螺旋，也可以如图3按照同一固定角度螺旋，同一固定的角度螺旋可以使得天线辐射信号出去后更均匀，在圆极化的范围内每个方向的信号强度相同。每个槽的环绕方向相同，这样的设置使得天线辐射的信号形成圆极化并且信号辐射时不容易相互干扰，辐射更稳定。每个槽之间的间距可以不是等距的，也可以如图3是等距的，等距的设置使得天线辐射信号更均匀，有利于比较均衡的圆极化。
所述缝隙螺旋天线2自下向上环绕整个介质层11，且缝隙螺旋天线2之间互不交接。缝隙螺旋天线2长度设为为螺旋天线工作中心频段中心频率波长长度的一半。
自下向上的环绕使得馈电产生的电流通过微带馈线3耦合到环绕整个介质层11的缝隙螺旋天线2后，可以更好地自下而上的辐射信号到外界，而且辐射产生的电磁场是旋转的，实现了圆极化，更适合应用在卫星导航系统终端设备中。缝隙螺旋天线2之间互不交接，使得缝隙螺旋天线2可以更好的辐射信号到外界，辐射方向更加协调，这样设置也使得辐射产生的电磁场为旋转的，能够更好的圆极化。缝隙螺旋天线2长度设置为螺旋天线工作中心频段中心频率的波长长度的一半后便于产生谐振，使得缝隙螺旋天线2产生的电场更大，辐射更强。
所述微带馈线3弯折多次环绕于所述介质层11且环绕所述介质层11内表面至少一个介质层11周长，多次弯折用于优化馈电的方位，调节馈电的幅度和相位。微带馈线3弯折环绕可以提高馈电产生的电流通过微带馈线3耦合到缝隙螺旋天线2时的效率，而环绕所述介质层11内表面至少一个介质层11周长和多次弯折对馈电的幅度和相位的调节可以使得使得微带馈线3传输电流更全面和均匀。所述微带馈线3环绕时经过全部缝隙螺旋天线2，这样可以把电流耦合到每个缝隙螺旋天线2。微带馈线3可以不弯折地经过缝隙螺旋天线2，这样也可以达到耦合信号的功能。当为了提高信号耦合的效率，微带馈线3设计成弯折形式的。微带馈线3呈锯齿状弯折，如图3所示，最优方案是弯折次数和经过缝隙螺旋天线2的次数相同，使得微带馈线3有更大的面积接触缝隙螺旋天线2，提高耦合效率且优化馈电的方位。
当微带馈线3环绕所述介质层11内表面超过一个介质层11周长时，超过一个介质层11周长的部分用于调节螺旋缝隙天线2馈电。重复环绕的微带馈线是在缝隙螺旋天线2反馈微弱位置，给馈电产生的电流通过微带馈线3耦合到缝隙螺旋天线2时补充调节，使得重复部分的耦合性能更稳定。且重复环绕的微带馈线3互不交接，有效避免耦合时互相产生干扰。如图3所示，所述微带馈线3在自同轴探针5延伸出的环绕在介质层11位置重复环绕3/8的环形介质层11周长，调节在各螺旋缝隙天线2处耦合馈电的幅度和相位，使得螺旋缝隙天线2耦合性能更稳定。微带馈线3的长度设为螺旋天线工作中心频段中心频率的半波长长度的四倍。微带馈线3长度的设置便于产生谐振，使得通过微带馈线3的电流更大。
所述微带馈线3通过同轴探针5与接地板4的中心的激励端口6连接。中心连接的方式使得接收外来信号时接收的更全面。
外来的信号能量通过同轴探针5在金属接地板4的激励端口6和接地板4上方的微带馈线3之间进行馈电，馈电产生的电流由于微带馈线3长度的设置为螺旋天线工作中心频率的介质波长的3/4而使得产生的谐振达到最大化，再通过微带馈线3耦合到环绕整个介质层11的八条缝隙螺旋天线2，八条缝隙螺旋天线2长度为螺旋天线工作中心频段中心频率的半波长长度使得缝隙螺旋天线2产生的电场最大化，且自下向上互不交接的方式环绕，这样使得辐射信号到外界辐射得更强且是旋转的，能够圆极化地辐射信号。
如图5所示为一种折线形微带耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线2的反射系数|S11|的仿真结果，Freq表示频率；图6所示为一种折线形微带耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线2的圆极化轴比Axial Ratio的仿真结果；图7所示为一种折线形微带耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线2的右旋方向图和增益；图8所示为一种折线形微带耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线2的左旋方向图和增益；这些图表显示了螺旋天线的辐射带宽更大、圆极化程度好。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，包括接地板，以及固定在接地板上的螺旋天线主体，其特征在于，所述螺旋天线主体包括沿接地板边缘环绕封闭的介质层，所述介质层外表面设有金属层，所述金属层上镂空开槽后凹槽形成缝隙螺旋天线，所述缝隙螺旋天线数量为八条，所有缝隙螺旋天线均匀环绕整个介质层；所述介质层内表面设有微带馈线，所述微带馈线通过同轴探针与接地板连接。
2.根据权利要求1所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述缝隙螺旋天线自下向上环绕整个介质层。
3.根据权利要求2所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述缝隙螺旋天线之间互不交接。
4.根据权利要求1所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，L1为缝隙螺旋天线长度，L1=λ/2，λ为螺旋天线工作中心频率的介质波长。
5.根据权利要求1所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述微带馈线环绕环形介质层设置且经过全部缝隙螺旋天线。
6.根据权利要求5所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述微带馈线弯折多次环绕于所述介质层，多次弯折用于优化馈电的方位，优化馈线对各缝隙螺旋天线的馈电幅度和相位。
7.根据权利要求6所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述微带馈线环绕所述介质层内表面至少一个介质层周长。
8.根据权利要求7所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，当微带馈线环绕所述介质层内表面超过一个介质层周长时，超过一个介质层周长的部分用于调节在各螺旋缝隙天线处耦合馈电的幅度和相位。
9.根据权利要求1所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述微带馈线的长度为L2，L2=λ/4+n*λ/2，n为正整数。
10.根据权利要求1所述的微带线耦合馈电的宽带圆极化八臂缝隙螺旋天线，其特征在于，所述微带馈线通过同轴探针与接地板中心的激励端口连接。
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