CN113013598A - 一种多频宽带四臂螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

一种多频宽带四臂螺旋天线，包括四臂螺旋天线和一分四馈电网络，所述四臂螺旋天线包括低介电常数的空心柱体以及缠绕在所述空心柱体上的4组螺旋臂，所述4组螺旋臂分别对应于各自的工作频段，所述一分四馈电网络具有介质基板，所述介质基板的上表面和下表面分别设置有一分二功分移相器，其中2组螺旋臂与上层一分二功分移相器相连接，另外2组螺旋臂与下层一分二功分移相器相连接，以在进行功率分配的同时使与所述4组螺旋臂相连的4个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化。该多频宽带四臂螺旋天线具有多频段、宽频带以及高增益等优点。

Description

一种多频宽带四臂螺旋天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及一种用于北斗导航设备的多频宽带四臂螺旋天线。
背景技术
全球定位系统(Global Positioning System,GPS)为当今世界使用最为广泛的卫星导航定位系统，主要应用与导航、测绘、监测、授时和通信等，为人们的生活出行提供极大便利。除了北斗系统外，目前其他主流的卫星导航定位系统还包括俄罗斯的GLONASS系统，欧洲的伽利略系统以及美国的GPS系统等。
目前用于北斗卫星导航系统的天线主要包括微带天线和四臂螺旋天线。相比于微带天线，四臂螺旋天线具有心型方向图、良好前后比和宽波束等优点。北斗系统主要有三个频段，包括B1-2(1589.742MHz)、B3(1268.52MHz)以及B2I(1207.14MHz)频段，GPS系统主要有三个频段，包括L1(1575MHz)、L2(1227MHz)以及L5(1176MHz)频段，因此，四臂螺旋天线还需具有多频和宽带特性。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的主要目的在于弥补传统用于GPS的天线在多频和宽带特性上的不足，提供一种多频宽带四臂螺旋天线。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种多频宽带四臂螺旋天线，包括四臂螺旋天线和一分四馈电网络，所述四臂螺旋天线包括低介电常数的空心柱体以及缠绕在所述空心柱体上的4组螺旋臂，所述低介电常数的范围在2.7～3.1，所述4组螺旋臂分别对应于各自的工作频段，所述一分四馈电网络具有介质基板，所述介质基板的上表面和下表面分别设置有一分二功分移相器，其中2组螺旋臂与上层一分二功分移相器相连接，另外2组螺旋臂与下层一分二功分移相器相连接，以在进行功率分配的同时使与所述4组螺旋臂相连的4个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化。
进一步地，所述介质基板包括两层介质基板，所述两层介质基板中的上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别设置有一分二功分移相器，所述两层介质基板之间设置有共用地板。
进一步地，还包括用于馈电的同轴线，所述同轴线的内芯连接上层一分二功分移相器，所述同轴线的外导体连接下层一分二功分移相器，从而实现180度相移。
进一步地，每组螺旋臂均包括两个长度不同的弯折枝节，分别对应于天线不同的工作频段。
进一步地，所述两个长度不同的弯折枝节中的长枝节对应GPS系统的L2和L5低频段，短枝节对应GPS系统的L1高频段。
进一步地，所述空心柱体为空心圆柱体，每组螺旋臂的高度与所述空心圆柱体的高度一致，且相邻组螺旋臂的间距为空心圆柱体的底面周长的1/4。
进一步地，所述空心圆柱体的外径与所述一分二功分移相器的直径相等。
进一步地，所述一分二功分移相器为一分二威尔金森功分移相器，包括功分器、隔离电阻和移相器，所述隔离电阻连接所述功分器和所述移相器，所述移相器使两个输出端口的路程差为1/4波长，从而实现90度相移。
进一步地，所述共用地板开两个通槽，所述另外2组螺旋臂通过所述两个通槽与下层一分二功分移相器相连接。
进一步地，所述空心柱体为柔性空心柱体。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种可用于GPS卫星导航系统的多频宽带四臂螺旋天线，其特别适用于北斗导航设备。采用低介电常数的空心柱体、缠绕在所述空心柱体上的4组螺旋臂以及一分四馈电网络，4组螺旋臂分别对应于各自的工作频段，其中2组螺旋臂与一分四馈电网络介质基板上层一分二功分移相器相连接，另外2组螺旋臂与下层一分二功分移相器相连接，一分四馈电网络在进行功率分配的同时使与4组螺旋臂相连的4个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化，具有多频段、宽频带以及高增益等优点。通过每组螺旋臂采用两个长度不同的弯折枝节，其中长枝节对应GPS系统的L2和L5频段，短枝节对应GPS系统的L1频段，使得该多频宽带四臂螺旋天线能够有效服务于GPS系统的L1/L2/L5频段。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图；
图1为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的侧视图；
图2为本发明实施例提供的空心圆柱体与四组螺旋臂的平面展开图；
图3为本发明实施例提供的一分四馈电网络的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一分四馈电网络仿真得到的S参数曲线图；
图5为本发明实施例提供的一分四馈电网络仿真得到的相位差曲线图；
图6为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的回波损耗曲线图；
图7为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的轴比曲线图；
图8为本发明实施例提供的四臂螺旋天线的增益曲线图；
附图标记说明：1、同轴线；2、下层一分二功分移相器；3、介质基板；4、共用地板；5、上层一分二功分移相器；6、通槽；7、隔离电阻；8、空心圆柱体；9、与上层一分二功分移相器连接的两组螺旋臂；10、与下层一分二功分移相器连接的两组螺旋臂；11、螺旋臂长枝节；12、螺旋臂短枝节。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图3，本发明实施例提供一种多频宽带四臂螺旋天线，包括四臂螺旋天线和一分四馈电网络，所述四臂螺旋天线包括低介电常数的空心柱体以及缠绕在所述空心柱体上的4组螺旋臂9、10，所述低介电常数的范围在2.7～3.1，所述空心柱体优选采用空心柱圆体8，所述4组螺旋臂分别对应于各自的工作频段，所述一分四馈电网络具有介质基板3，所述介质基板3的上表面和下表面分别设置有一分二功分移相器，其中2组螺旋臂9与上层一分二功分移相器5的两路输出微带线相连接，另外2组螺旋臂10与下层一分二功分移相器2的两路输出微带线相连接，以在进行功率分配的同时使与所述4组螺旋臂相连的4个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化。
在优选的实施例中，所述介质基板3包括两层介质基板，所述两层介质基板3中的上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别设置有一分二功分移相器，所述两层介质基板之间还设置有共用地板4。
参阅图1和图3，在优选的实施例中，所述一分四馈电网络通过同轴线1馈电，其中，所述同轴线1的内芯连接上层一分二功分移相器5，所述同轴线1的外导体连接下层一分二功分移相器2，从而实现180度相移。
参阅图1和图2，在优选的实施例中，每组螺旋臂均包括两个长度不同的弯折枝节，分别对应于天线不同的工作频段。在进一步优选的实施例中，所述两个长度不同的弯折枝节中的长枝节11对应GPS系统的L2和L5低频段，短枝节12对应GPS系统的L1高频段。
参阅图1，在优选的实施例中，每组螺旋臂9、10的高度与所述空心圆柱体8的高度一致，且相邻组螺旋臂9、10的间距为空心圆柱体8的底面周长的1/4。
参阅图3，在优选的实施例中，所述空心圆柱体8的外径与上、下层一分二功分移相器的直径相等。
参阅图3，在优选的实施例中，所述一分二功分移相器包括功分器、隔离电阻7和移相器，所述隔离电阻7连接所述功分器和所述移相器，所述移相器使两个输出端口的路程差为1/4波长，从而实现90度相移。
参阅图3，在优选的实施例中，所述共用地板4开两个通槽6，所述另外2组螺旋臂通过所述两个通槽6与下层一分二功分移相器2的两路输出微带线相连接，避免螺旋臂与所述共用地板4直接接触。在一个实施例中，所述通槽6为矩形槽。
在优选的实施例中，所述空心圆柱体为柔性的空心圆柱体。
本发明实施例的多频宽带四臂螺旋天线可用于GPS卫星导航系统，尤其适用于北斗导航设备，具有多频段、宽频带以及高增益等优点。
以下进一步描述本发明具体实施例。
具体实施例提供一种用于北斗导航设备的多频宽带四臂螺旋天线，其主要包括低介电常数的柔性空心圆柱体、沿着空心圆柱体缠绕的四组螺旋臂以及带有双层介质基板的一分四馈电网络。所述低介电常数的范围在2.7～3.1。本实施例的天线主要服务于GPS系统的L1/L2/L5频段，在一个示例中，天线的高度为66.6mm，直径为50mm。每个螺旋臂包括两个长短不同的弯折枝节，将枝节弯折能降低天线的整体高度。其中，长枝节对应GPS L2/L5频段，短枝节对应GPS L1频段。一分四馈电网络的主要作用是在进行功率分配的同时，使四个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化。该馈电网络将两个一分二威尔金森功分移相器分别印制在两层介质基板的上下表面，共用中间的地板，并通过同轴线进行馈电。其中，同轴线的内芯接上层功分移相器，同轴线的外导体接下层功分移相器，实现180度相移；功分移相器可看成由功分器、隔离电阻和移相器组成。其中功分器的两个输出端口接50欧姆的隔离电阻，用以提高隔离度；移相器通过使两个输出端口的路程差为1/4个工作波长，实现90度相移。
本实施例中，空心圆柱体采用的介质为罗杰斯5880，厚度为0.8mm，半径D1/2为20mm，厚度H1为65mm；一分四馈电网络采用的介质为FR4，厚度H2为0.8mm，半径D2/2为25mm。当然，该实施例仅仅为示例性的而非限制性的。
如图1和图3所示，本实施例所提供的四臂螺旋天线主要包括天线部分和一分四馈电网络部分，其中，天线部分包括一个低介电常数的柔性空心圆柱体8以及四组螺旋臂9和10。四组螺旋臂9和10沿着空心圆柱体8的轴线方向螺旋缠绕，且每组螺旋臂的相隔距离d均为π*D1/4。此外，螺旋臂组的高度与空心圆柱体的高度一致，均为H1＝65mm。
本实施例中的每组螺旋臂均包括两个长度不同的弯折枝节11和12，其中长枝节11对应GPS系统的L2/L5低频段，短枝节12对应GPS系统的L1高频段。
如图2所示，本实施例中一分四馈电网络包括两层介质基板3，且两层基板的上下表面均印刷一分二威尔金森功分移相器2和5。其中，威尔金森功分移相器包括功分器O-A1和O-A2、隔离电阻7以及移相器A1-B1和A2-B2。隔离电阻7的阻值为50欧姆，A2-B2与A1-B1的路程差为1/4波长，从而使功分移相器2和5的两个输出端口的相位差为90度。此外，同轴线的内芯接上层一分二功分移相器5，同轴线的外导体接下层一分二功分移相器2，从而实现180度相移。
结合图1、图2和图3，本实施例空心圆柱体8的外径与一分二功分移相器2或5的直径相等，均为D1。此外，其中两组螺旋臂9与上层一分二功分移相器5的两个输出端口相连接，另外两组螺旋臂10与下层一分二功分移相器2的两个输出端口相连接。为了避免螺旋臂组与地板相接触，在地板上开了两个通槽6。
图4和图5为一分四馈电网络的仿真S参数和相位差，可以看出该馈电网络在1-2GHz频带范围内的插入损耗为-6.4到-6.1dB之间，在1.4GHz处，四个输出端口的相位差依次相差90度。
图6、图7和图8给出了整体四臂螺旋天线的仿真回波损耗、轴比和增益曲线，可以看出该天线在1.1-1.7GHz频带范围内的损耗基本都大于-10dB，轴比小于3dB。此外，天线在GPS L1频段的增益和轴比分别为4.7dBi和0.6dB，在GPS L2频段的增益和轴比分别为5.4dBi和0.5dB，在GPS L5频段的增益和轴比分别为4.3dBi和0.7dB。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，包括四臂螺旋天线和一分四馈电网络，所述四臂螺旋天线包括低介电常数的空心柱体以及缠绕在所述空心柱体上的4组螺旋臂，所述低介电常数的范围在2.7～3.1，所述4组螺旋臂分别对应于各自的工作频段，所述一分四馈电网络具有介质基板，所述介质基板的上表面和下表面分别设置有一分二功分移相器，其中2组螺旋臂与上层一分二功分移相器相连接，另外2组螺旋臂与下层一分二功分移相器相连接，以在进行功率分配的同时使与所述4组螺旋臂相连的4个输出端口的相位相差90度，从而实现圆极化。
2.如权利要求1所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述介质基板包括两层介质基板，所述两层介质基板中的上层介质基板的上表面和下层介质基板的下表面分别设置有一分二功分移相器，所述两层介质基板之间设置有共用地板。
3.如权利要求1或2所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，还包括用于馈电的同轴线，所述同轴线的内芯连接上层一分二功分移相器，所述同轴线的外导体连接下层一分二功分移相器，从而实现180度相移。
4.如权利要求1或2所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，每组螺旋臂均包括两个长度不同的弯折枝节，分别对应于天线不同的工作频段。
5.如权利要求4所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述两个长度不同的弯折枝节中的长枝节对应GPS系统的L2和L5低频段，短枝节对应GPS系统的L1高频段。
6.如权利要求1或2所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述空心柱体为空心圆柱体，每组螺旋臂的高度与所述空心圆柱体的高度一致，且相邻组螺旋臂的间距为空心圆柱体的底面周长的1/4。
7.如权利要求6所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述空心圆柱体的外径与所述一分二功分移相器的直径相等。
8.如权利要求1或2所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述一分二功分移相器为一分二威尔金森功分移相器，包括功分器、隔离电阻和移相器，所述隔离电阻连接所述功分器和所述移相器，所述移相器使两个输出端口的路程差为1/4波长，从而实现90度相移。
9.如权利要求2所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述共用地板开两个通槽，所述另外2组螺旋臂通过所述两个通槽与下层一分二功分移相器相连接。
10.如权利要求1至9任一项所述的多频宽带四臂螺旋天线，其特征在于，所述空心柱体为柔性空心柱体。
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