CN111883920A - 一种八臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种八臂螺旋天线，包括四块结构相同的矩形介质板拼接而成的矩形立柱体，以及在矩形立柱体上方盖合有一盖板，盖板中的中心有一开口作为天线辐射口，矩形立柱体下方设置有安装板；每个介质板上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。本发明通过金属馈线耦合两个金属辐射臂，实现了双频段工作，并且金属辐射臂不需要进行绕制，加工方便，天线的整体也易于组装。

Description

一种八臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其涉及一种八臂螺旋天线。

背景技术

现有技术中的螺旋天线通常是四臂螺旋天线，这种天线具有心脏型的圆极化辐射方向图，在较低的仰角位置保持较好的圆极化特性，即轴比特性较好，同时具备较高的增益，且又有结构简单紧凑、不依赖于参考地的优点，在GPS、北斗、海事通信等卫星导航和通信领域得到了广泛的应用。

四臂螺旋天线通过调整其螺距半径比和缠绕圈数可以获得不同赋形的圆极化辐射方向图，以满足不同的应用需求。但是四臂螺旋天线的工作带宽较窄，为实现双频工作，常见的方式是通过级联将两个频段的四臂螺旋叠在一起，但是这种方式需要将辐射体绕制在介质板上加工，加工难度大并且很容易出现加工误差，同时也为天线的组装带来了困难。

发明内容

本发明提供一种八臂螺旋天线，解决现有技术中螺旋天线在实现低仰角、圆极化辐射的高增益需要，以及满足双频工作的需要，同时还解决辐射体加工困难、天线组装不方便、体积过大的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是提供一种八臂螺旋天线，包括四块结构相同的矩形介质板拼接而成的矩形立柱体，以及在所述矩形立柱体上方盖合有一盖板，所述盖板的中心设置有一开口，所述矩形立柱体下方设置有安装板；每个所述介质板上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。

优选的，两个所述7字型的金属辐射臂分别对应为低频辐射臂和高频辐射臂，所述低频辐射臂的尺寸大于高频辐射臂。

优选的，所述低频辐射臂包括依次连接的水平支臂、倾斜支臂和竖直支臂，其中水平支臂与倾斜支臂的夹角为69度，倾斜支臂与竖直支臂的夹角为159度。

优选的，所述低频辐射臂的竖直支臂起始于所在矩形介质板的下边缘的中部，水平支臂与倾斜支臂的结合部靠近所在矩形介质板的右边缘的上部，水平支臂的左侧端部与所在矩形介质板的左边缘之间有间隔。

优选的，所述高频辐射臂包括依次连接的第一倾斜支臂、水平支臂、第二倾斜支臂和竖直支臂，第一倾斜支臂和第二倾斜支臂分别连接水平支臂的两端且都位于水平支臂的下方，与水平支臂的夹角也相同，均为69度，第二倾斜支臂与竖直支臂的夹角为159度。

优选的，所述高频辐射臂的竖直支臂起始端靠近所在矩形介质板的下边缘的左端，水平支臂与第二倾斜支臂的结合部位于所述低频辐射臂的水平支臂的下方，第一倾斜支臂的端部临近所在矩形介质板的左边缘，第一倾斜支臂与水平支臂的结合部位于所述低频辐射臂的水平支臂左端部的左下方。

优选的，所述金属馈线包括依次连接的第一倾斜馈线、水平馈线、第二倾斜馈线和竖直馈线，第一倾斜馈线和第二倾斜馈线分别连接水平馈线的两端并且与水平馈线夹角相同，分别位于水平馈线的上方和下方，第一倾斜馈线临近所述低频辐射臂的倾斜支臂，第二倾斜馈线临近所述高频辐射臂的第二倾斜支臂，所述竖直馈线的端部临近设置在矩形介质板的下边缘，并且设置有焊接孔。

优选的，四个所述矩形介质板上对应的四条所述金属馈线的相位分比分别为0度，-90度，-180度，-270度。

优选的，所述矩形介质板的上端固定在所述盖板的侧面上，下端固定在底板的侧面上，在所述盖板和底板之间设置有支撑柱，所述盖板、支撑柱和底板一体连接。

优选的，所述八臂螺旋天线的低频辐射臂对应的频率范围为399MHz～403MHz，高频辐射臂对应的频率范围是495MHz～511MHz。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种八臂螺旋天线，包括四块结构相同的矩形介质板拼接而成的矩形立柱体，以及在矩形立柱体上方盖合有一盖板，盖板中的中心有一开口作为天线辐射口，矩形立柱体下方设置有安装板；每个介质板上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。本发明通过金属馈线耦合两个金属辐射臂，实现了双频段工作，并且金属辐射臂不需要进行绕制，加工方便，天线的整体也易于组装。

附图说明

图1是根据本发明一种八臂螺旋天线中的整体示意图；

图2是根据本发明一种八臂螺旋天线中的分解示意图；

图3是根据本发明一种八臂螺旋天线中的支撑柱示意图；

图4是根据本发明一种八臂螺旋天线中的底座示意图；

图5是根据本发明一种八臂螺旋天线中的步进电机控制原理图；

图6是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施低频的电压驻波图；

图7是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施高频的电压驻波图；

图8是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施低频的Phi＝0°、90°剖面增益方向图；

图9是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施高频的Phi＝0°、90°剖面增益方向图；

图10是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施的低频的Phi＝0°、90°轴比图；

图11是根据本发明一种八臂螺旋天线中的实施的高频的Phi＝0°、90°轴比图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，八臂螺旋天线包括四块结构相同的矩形介质板1拼接而成的矩形立柱体2，以及在矩形立柱体2上方盖合有一盖板3，盖板3中的中心开设一开口4，矩形立柱体2下方设置有安装板5；每个介质板1上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，两个7字型的金属辐射臂分别对应为低频辐射臂6和高频辐射臂7，低频辐射臂6的尺寸大于高频辐射臂7。并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线8，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。

这里，覆设是指将金属片粘贴在介质板上，或者是与印制电路板上的覆铜线路相似将金属片印制到介质板上。

通过将金属辐射臂覆设在矩形介质板1上，降低了天线的加工难度。并通过金属馈线8进行耦合，拓宽了天线的工作频带，实现双频工作。将低频辐射臂6和高频辐射臂7进行弯折加工，降低了天线的整体高度。

优选的，低频辐射臂6和高频辐射臂7的材料均为铜制材料。

进一步的，如图2所示。图2是八臂螺旋天线的分解示意图。在图2中，四块矩形介质板1的上端通过螺丝12固定在盖板3的四个侧面上，四块矩形介质板1的下端通过螺丝固定在底板9的四个侧面上。在盖板3和底板9的侧面上设置有螺纹孔，便于和螺丝12进行连接。

在盖板3和底板9之间设置有支撑柱10，由此形成盖板3、支撑柱10和底板9一体化结构。优选的，盖板3、支撑柱10和底板9的材料均为铝制材料，开口4贯穿盖板3、支撑柱10和底板9，可以降低天线整体的重量并且节省材料。

进一步的，结合图2、图3和图4。底板9通过螺纹连接的方式固定在底座11上，底座11与安装板5固定连接。

优选的，安装板5为铝制材料，降低天线的重量，其形状为矩形，尺寸大小为300mm*300mm。

在图3中，底板9的顶面上设置有多个连接孔901，在底板9的底面上对应位置处设置有多个安装孔，连接孔901贯穿安装孔。在图4中，底座11的顶面上设置有多个与安装孔相适配的连接柱11，连接柱11上设置有螺纹孔。底板9与底座11固定时，连接柱11安装在相应的安装孔内，通过螺丝穿过连接孔901与连接柱111固定连接。

优选的，在底板9的底面边缘设置有多个定位孔902，在底座11的顶面上对应设置有多个凸出的定位部112，定位部112与定位孔902的形状相适配。通过定位孔902和定位部112配合连接实现底板9的定位，进而方便底板9固定在底座11上。

进一步的，如图5所示。在矩形介质板1上，低频辐射臂6包括依次连接的水平支臂61、倾斜支臂62和竖直支臂63，其中水平支臂61与倾斜支臂62的夹角A1为69度，倾斜支臂62与竖直支臂63的夹角A2为159度。

低频辐射臂6的竖直支臂63起始于所在矩形介质板1的下边缘的中部，水平支臂61与倾斜支臂62的结合部靠近所在矩形介质板1的右边缘的上部，水平支臂62的左侧端部与所在矩形介质板1的左边缘之间有间隔。

优选的，矩形介质板1为Rogers6006介质板，其尺寸大小为108mm*152mm。水平支臂61的长度为80mm,倾斜支臂62的长度为134mm，竖直支臂63的长度为10mm。

进一步的，高频辐射臂7包括依次连接的第一倾斜支臂71、水平支臂72、第二倾斜支臂73和竖直支臂74。第一倾斜支臂71和第二倾斜支臂73分别连接水平支臂73的两端且都位于水平支臂72的下方，与水平支臂74的夹角A3也相同，均为69度，第二倾斜支臂与竖直支臂的夹角A4为159度。

高频辐射臂7的竖直支臂74起始端靠近所在矩形介质板1的下边缘的左端，水平支臂72与第二倾斜支臂73的结合部位于低频辐射臂6的水平支臂61的下方，第一倾斜支臂71的端部临近所在矩形介质板1的左边缘，第一倾斜支臂71与水平支臂72的结合部位于低频辐射臂6的水平支臂61左端部的左下方。

优选的，第一倾斜支臂71的长度为45mm，水平支臂72的长度为33mm，第二倾斜支臂73的长度为112mm，竖直支臂74的长度为10mm。

进一步的，金属馈线8包括依次连接的第一倾斜馈线81、水平馈线82、第二倾斜馈线83和竖直馈线84，第一倾斜馈线81和第二倾斜馈线83分别连接水平馈线82的两端并且与水平馈线82之间的夹角A5相同，夹角A5为111度。第一倾斜馈线81和第二倾斜馈线83分别位于水平馈线82的上方和下方。

第一倾斜馈线81临近低频辐射臂6的倾斜支臂62，第二倾斜馈线83临近高频辐射臂7的第二倾斜支臂73，竖直馈线84的端部临近设置在矩形介质板1的下边缘，并且设置有焊接孔85。通信线缆的一端焊接在焊接孔内，并且与竖直馈线84的端部连接，通信线缆的另一端连接SMA接口，作为外部通信接口。

优选的，第一倾斜馈线81长度为43mm，水平馈线82的长度为17mm，第二倾斜馈线83的长度为27mm，竖直馈线84的长度为10mm。

基于上述结构设计，金属馈线尽管与两个辐射臂没有直接互连，但是通过在介质板上进行近距离的耦合感应，可以将金属馈线的发射信号耦合到两个辐射臂，并且可以明显的区分出高频段和低频段，并且这两个频段可以同时工作或分时工作，两个频段可以共存而不相互干扰，具有良好的电磁兼容性，这是本发明的结构设计所决定的电磁辐射特性，是原理结构设计与仿真、实测相结合的多次优化结果。进一步的，这四个介质板上的天线结构设计相同，这样也有利于加工和拼接组合，大大简化了天线组装，也降低的加工成本，有利于批量生产。

优选的，四个矩形介质板上对应的四条金属馈线的相位分比分别为0度，-90度，-180度，-270度。这是通过分别与四条金属馈线电连接的四根通信线缆连接到功分网络实现的，也就是说在功分网络上实现了四种相位的信号输出分别到四个馈线。

通过这种在四条金属馈线的进行馈电时信号的相位差异性，使得这四个矩形介质板对应的辐射臂的辐射特性存在差异性，而这种差异性正好有利于辐射臂产生的电磁场信号在空间上进行混合叠加，从而产生所需要的辐射特性结果。

优选的，本发明的八臂螺旋天线的两个频段既可以分时工作也可以同时工作，并且在同时工作时也可以实现良好的电磁兼容性，各自完成在对应频段的天线作用。

如图6和图7所示，图6为本发明实施低频时的电压驻波比仿真图，图7为本发明实施高频的电压驻波比仿真图。在图6中，可以看出,在399MHz～403MHz频率范围内(即对应低频)，电压驻波比小于2；在图7中，在495MHz～511MHz频率范围内(即对应高频)，电压驻波比也小于2；表明在399MHz～403MHz和495MHz～511MHz频率范围内，本发明具有良好的阻抗匹配特性。

进一步的，结合图8和图9。图8为本发明实施低频的Phi＝0°、90°剖面增益方向图。图9为依照本发明实施高频的Phi＝0°、90°剖面增益方向图。在图8中，低频的半功率宽度为112度，大于110度。在60度仰角的增益大于-1dBi。在轴向±70°范围内增益也大于-1dBi。在图9中，高频的半功率宽度为127度，大于120度，在60度仰角的增益大于0.7dBi。在轴向±70°范围内增益也大于0.7dBi。由此可以看出，本发明很好的满足了低仰角的设计需要。

进一步的，如图10和图11所示。图10为依照本发明实施的低频的Phi＝0°、90°轴比图；图11为依照本发明实施的高频Phi＝0°、90°轴比图。在图10中可以看出，八臂螺旋天线在低频段轴向±90°范围内轴比小于3dB，具有高增益的特点；在图11中，八臂螺旋天线在高频段轴向±60°范围内轴比小于3dB，，具有高增益的特点，在全空域范围内圆极化性能良好。

通过以上天线的结构设计、仿真和实测，可以看出本发明的八臂螺旋天线具有良好的辐射特性，满足设计需求，并且上述天线的结构尺寸都是经过反复多次的优化调整获得的最佳结果，与天线工作的频段也密切相关，因此这里天线的结构设计与天线的辐射特性密切相关，特别是金属馈线与高频辐射臂、低频辐射臂在同一个介质板上的设置方式，能够保证既可以通过同一个金属馈线向两个不同频段的天线进行电磁感应馈电，又可以满足两个辐射臂之间具有良好的电磁兼容性。另外，四个介质板对应的四条金属馈线的相位分比分别为0度，-90度，-180度，-270度。这样又使得这四个介质板上的辐射相位特性存在差异性，而这种差异性则有利于这四个介质板上辐射臂产生电磁场信号进行有效空间合成，从而构成该天线的整体辐射特性的叠加合成效果。

由此可见，本发明公开了一种八臂螺旋天线，包括四块结构相同的矩形介质板拼接而成的矩形立柱体，以及在矩形立柱体上方盖合有一盖板，盖板中的中心有一开口作为天线辐射口，矩形立柱体下方设置有安装板；每个介质板上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。本发明通过金属馈线耦合两个金属辐射臂，实现了双频段工作，并且金属辐射臂不需要进行绕制，加工方便，天线的整体也易于组装。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种八臂螺旋天线，其特征在于，包括四块结构相同的矩形介质板拼接而成的矩形立柱体，以及在所述矩形立柱体上方盖合有一盖板，所述盖板的中心设置有一开口，所述矩形立柱体下方设置有安装板；每个所述介质板上覆设有两个互不相连的7字型的金属辐射臂，并且在两个辐射臂之间还覆设有金属馈线，用于向两个金属辐射臂耦合馈电。

2.根据权利要求1所述的八臂螺旋天线，其特征在于，两个所述7字型的金属辐射臂分别对应为低频辐射臂和高频辐射臂，所述低频辐射臂的尺寸大于高频辐射臂。

3.根据权利要求2所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述低频辐射臂包括依次连接的水平支臂、倾斜支臂和竖直支臂，其中水平支臂与倾斜支臂的夹角为69度，倾斜支臂与竖直支臂的夹角为159度。

4.根据权利要求3所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述低频辐射臂的竖直支臂起始于所在矩形介质板的下边缘的中部，水平支臂与倾斜支臂的结合部靠近所在矩形介质板的右边缘的上部，水平支臂的左侧端部与所在矩形介质板的左边缘之间有间隔。

5.根据权利要求2所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述高频辐射臂包括依次连接的第一倾斜支臂、水平支臂、第二倾斜支臂和竖直支臂，第一倾斜支臂和第二倾斜支臂分别连接水平支臂的两端且都位于水平支臂的下方，与水平支臂的夹角也相同，均为69度，第二倾斜支臂与竖直支臂的夹角为159度。

6.根据权利要求5所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述高频辐射臂的竖直支臂起始端靠近所在矩形介质板的下边缘的左端，水平支臂与第二倾斜支臂的结合部位于所述低频辐射臂的水平支臂的下方，第一倾斜支臂的端部临近所在矩形介质板的左边缘，第一倾斜支臂与水平支臂的结合部位于所述低频辐射臂的水平支臂左端部的左下方。

7.根据权利要求2所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述金属馈线包括依次连接的第一倾斜馈线、水平馈线、第二倾斜馈线和竖直馈线，第一倾斜馈线和第二倾斜馈线分别连接水平馈线的两端并且与水平馈线夹角相同，分别位于水平馈线的上方和下方，第一倾斜馈线临近所述低频辐射臂的倾斜支臂，第二倾斜馈线临近所述高频辐射臂的第二倾斜支臂，所述竖直馈线的端部临近设置在矩形介质板的下边缘，并且设置有焊接孔。

8.根据权利要求7所述的八臂螺旋天线，其特征在于，四个所述矩形介质板上对应的四条所述金属馈线的相位分比分别为0度，-90度，-180度，-270度。

9.根据权利要求8所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述矩形介质板的上端固定在所述盖板的侧面上，下端固定在底板的侧面上，在所述盖板和底板之间设置有支撑柱，所述盖板、支撑柱和底板一体连接。

10.根据权利要求1至9任一项所述的八臂螺旋天线，其特征在于，所述八臂螺旋天线的低频辐射臂对应的频率范围为399MHz～403MHz，高频辐射臂对应的频率范围是495MHz～511MHz。

Images