CN113422213A - 一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其包含：用于发射和接收信号的四臂螺旋天线阵列，其包含四个自相移的四臂螺旋天线，每个四臂螺旋天线包含：一个开槽长度可调的可调式开槽巴伦作为天线外导体，一个带活动滑环的可调式阻抗变换器作为天线内导体；可控反射面支架组件，包含四个反射面，四个四臂螺旋天线分别安装于所述反射面上；四个可控功分馈电网络，各个可控功分馈电网络分别通过同轴线与各个四臂螺旋天线连接。其优点是：其将天线阵元和可控反射面支架、可控功分馈电网络等相结合，可根据不同的需求调节阵元间距、阵元工作数量、阵元指向、阵元间相位差等参数，进而调节天线阵阻抗、频段、尺寸、方向图、极化等特征参量。

Description

一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵

技术领域

本发明涉及船舶导航定位和卫星通信技术领域，具体涉及一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵。

背景技术

海洋运输业是我国国民经济的命脉以及重要的支柱性产业，发展壮大海洋运输业是提升我国综合国力的必然要求，对于维护国家海洋权益，促进国民经济持续增长具有重要意义。但是近些年来船舶制造业和船舶航运业为代表的传统行业处于低迷的形势，面对运营成本成长、船舶操纵复杂以及环保法规日趋严格的情况，如何走出困境，是整个行业和国家共同思考的问题。随着大数据技术和计算机自动技术的发展，智能化船舶以其高效，经济和环保的理念是使运界不断增加技术和资金的投入，船舶智能化成为船舶制造和航运领域发展的必然趋势，也代表了船舶的未来和航运业的转型升级。

定位导航技术是保障船舶航行安全、有效避碰、科学化安全管理的基础，而智能船舶要实现自主航行、智能避障等功能的安全可靠就更加离不开高精度定位。我国自主研究、独立建设的北斗卫星导航系统，经数十年的发展完善，为我国船舶定位导航技术发展提供了新的契机，如何实现实时的高精度定位成为目前智能航行和海事通信领域的研究热点之一。

天线作为无线通信技术中的重要组成部分，承担着连接或转换电路和空间环境的任务，天线的性能直接影响到整个系统的通信质量。而智能船舶要求安全、高效、快速地传递信息，实现实时的高精度定位，则对于天线的性能提出了更高的需求。随着通信技术的不断完善，天线的设计也呈现多样化发展，而对于卫星通信，圆极化天线具有正交旋向性、强抗干扰等明显的优点而被广泛的应用于卫星导航系统。常见的圆极化天线有微带天线、四臂螺旋天线和共面波导天线。

圆极化微带天线以其低剖面、低成本和易共形的优点得到了广泛的应用，国内外学者对于卫星导航系统的圆极化微带天线的设计进行了大量的研究。面对其窄频带，低仰角增益不足的缺点，通过加载厚介质降低Q值、采用等效谐振电路和特殊馈电结构来展宽带宽，或者多层贴片和多模工作方式实现多频化；通过四周环绕电壁或加载介质来改善波束提高低仰角处增益。但是在保持良好的辐射性能的同时又要实现小型化是不容易的，设计复杂。同时根据卫星定位原理，低仰角处的信号对于定位精度的贡献最大。所以具有良好的心形方向图、宽波束等优点的四臂螺旋天线是卫星定位导航系统的主要天线之一。传统的介质谐振四臂螺旋天线属于窄带天线，而北斗卫星导航系统拥有多频带且具有短报文通信功能，所以许多学者在实现四臂螺旋天线宽带化或多频化方面进行了许多研究，通过附加寄生电路，调整螺旋臂的宽度等实现展宽带宽；通过多振子螺旋臂、嵌套多个天线等实现多频化，都取得了不错成果。因为四臂螺旋天线容易产生心形方向图，其波束宽度较宽，基本能满足前期定位系统的要求。所以在展宽天线波束的研究上学者们所做的不多，然而随着智能应用中定位精度要求的不断提高，系统对天线的波束宽度提出了更高的要求。

智能船舶对于船舶运动，感知自身位置的要求更高，不可避免的要特别关注恶劣海况时的船舶航行安全。所以船舶在不同摇晃程度上对于低仰角增益的需求是不一样的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其将各个含有可调式开槽巴伦和可调式阻抗变换器的四臂螺旋天线、可控反射面支架组件和可控功分馈电网络等相结合，组建了中心对称的四元可调节面式的天线阵，展宽天线频带和增强低仰角性能，其将四臂螺旋天线与可调式开槽巴伦、可调式阻抗变换器结合，实现单个阵元天线的工作频率和极化旋向可调；其将天线阵元和可控反射面支架组件、可控功分馈电网络等相结合，可根据不同的需求调节阵元间距、阵元工作数量、阵元指向、阵元间相位差等参数，进而调节天线阵阻抗、频段、尺寸、方向图、极化等特征参量，实现了天线方向图、极化等参量的快速切换，使得天线具有非常好的通信、导航兼容性和船体、星体适应性，既避免了原有单天线体积大、工作频带窄且不可调的缺点，也保证了天线辐射的低仰角增益、上半球方向全覆盖和水平全向覆盖特性，实现了天线方向图、极化等参量的快速切换，可用于面对复杂的海况条件下海事卫星系统通信和智能船舶高精度定位导航系统。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，包含：

用于发射和接收信号的四臂螺旋天线阵列，其包含四个自相移的四臂螺旋天线，每个四臂螺旋天线包含：一个开槽长度可调的可调式开槽巴伦作为天线外导体，一个带活动滑环的可调式阻抗变换器作为天线内导体；

可控反射面支架组件，包含四个反射面，四个四臂螺旋天线分别安装于所述反射面上；

四个可控功分馈电网络，各个可控功分馈电网络分别通过同轴线与各个四臂螺旋天线连接。

可选的，所述可控反射面支架组件还包含：

基座，所述基座上开设有对称的四个开槽，相邻两个开槽之间相互垂直；

四个可调支撑螺杆，所述可调支撑螺杆的一端与所述基座的开槽滑动连接，所述可调支撑螺杆的另一端与所述反射面连接，每个反射面上安装有射频端口，所述四臂螺旋天线通过所述射频端口垂直安装在所述反射面上；

四个驱动装置，分别与所述可调支撑螺杆连接以驱动所述可调支撑螺杆沿所述开槽移动。

可选的，所述反射面为圆形反射板，所述基座为正方形板，所述基座上的开槽为T型开槽。

可选的，所述可调支撑螺杆包含：

第一支撑件，与所述基座的开槽滑动连接，所述第一支撑件和开槽的滑动连接处包含第一螺栓组件以固定所述第一支撑杆；

第二支撑件，其一端与所述第一支撑件通过第二螺栓组件连接，所述第二支撑件另一端与所述反射面连接，调节第二螺栓组件可改变反射面的转向。

可选的，所述四臂螺旋天线包含：

内导体和外导体，所述外导体为空心金属管制成的开槽长度可调的可调式开槽巴伦，所述内导体为带有活动滑环的可调式阻抗变换器，所述内导体设置于所述外导体内部，所述内导体和外导体设置于四臂螺旋天线的轴向中心；

中间介质层，呈空心圆柱体状，所述内导体和外导体设置于所述中间介质层的内部，所述中间介质层外壁铺设有PCB板；

第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子，依次均匀间隔设置在所述PCB板上，其中，第一天线振子和第三天线振子的长度相等，且长度为大于谐振波长1/8个波长；第二天线振子和第四天线振子的长度相等，且长度为小于谐振波长1/8个波长；

活动顶端馈电电路，设置于所述四臂螺旋天线的顶端，所述第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子分别与所述活动顶端馈电电路连接，所述活动顶端馈电电路可沿四臂螺旋天线的轴向左右旋转，以调节所述活动顶端馈电电路与不同的天线振子相连接。

可选的，所述活动顶端馈电电路包含：

四个印制金属带条，分别与所述第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子连接，一扇形金属滑片通过连接条与印制金属带条连通以和其连接的天线振子共同组成第一辐射振子组，未与扇形金属滑片接触的印制金属带条和其相连的天线振子组成第二辐射振子组，所述第一辐射振子组通过扇形金属滑片与所述可调式阻抗变换器顶部连接，所述第一辐射振子组、第二辐射振子组通过连接条与所述可调式开槽巴伦连接，实现两组辐射振子馈电平衡，拨动扇形金属滑片可调节第一辐射振子组和第二辐射振子组的组成；

四个寄生振子，分别与各个印制金属带条连接以拓宽四臂螺旋天线的频带范围。

可选的，同轴线包含同轴线外导体和同轴线内导体；

所述可调式开槽巴伦由空心金属管制成，空心金属管管壁开设四个十字对称的长度为谐振波长1/4个波长的竖向开槽，竖向开槽上附加金属卡扣，以实现竖向开槽长度的调整，所述可调式开槽巴伦的顶部通过连接条上的外导体连接点与活动顶端馈电电路连接，所述可调式开槽巴伦底部通过射频端口与同轴线外导体相连；

可调式阻抗变换器，设置于所述可调式开槽巴伦内部，所述可调式阻抗变换器为多段横截面积不同的实心金属柱，所述实心金属柱上设置两个金属环滑动，所述实心金属柱顶部通过活动顶端馈电电路的扇形金属滑片与第一辐射振子组连接，所述实心金属柱底部通过射频端口与同轴线内导体连接。

可选的，所述中间介质层采用陶瓷材料制备；

所述活动顶端馈电电路通过螺栓组件设置于所述四臂螺旋天线的顶端。

可选的，所述可控功分馈电网络包含：

含微带贴片的可调馈电网络，其印制在FR4的方形介质基板上，其底部中心设置激励端口，四边中心设置四个天线端口，每个端口通过同轴线与对应的反射面上的射频端口连接以连通四臂螺旋天线；

所述微带贴片上开有缝隙通过可移动滑片连接，实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用。

可选的，所述微带贴片包含：

四条互相垂直连接的主微带，所述主微带的一端设置有天线端口，各个主微带连接处设置有激励端口，所述主微带包含至少两条并行排列的弧形微带，各个弧形微带之间形成弧形滑道，可移动滑片沿所述弧形滑道滑动，以实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明的一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其将各个含有可调式开槽巴伦和可调式阻抗变换器的四臂螺旋天线、可控反射面支架组件和可控功分馈电网络等相结合，组建了中心对称的可调节面的四元天线阵，展宽天线频带和增强低仰角性能，其四臂螺旋天线包含可调式开槽巴伦、可调式阻抗变换器，实现单个阵元天线的工作频率和极化旋向可调；其将天线阵元和可控反射面支架组件、可控功分馈电网络等相结合，可根据不同的需求调节阵元间距、阵元工作数量、阵元指向、阵元间相位差等参数，进而调节天线阵阻抗、频段、尺寸、方向图、极化等特征参量，使得天线具有非常好的通信与导航兼容性和适应性。

进一步的，本发明采用四臂螺旋天线作为阵元组成天线阵，单个四臂螺旋天线通过添加活动顶端馈电电路和寄生振子来展宽其带宽、提高天线效率，通过加载中间介质层保障良好增益的同时实现天线小型化，减少天线占用空间，同时四臂螺旋天线可抗干扰性，通过可调式开槽巴伦和可调式阻抗变换器调节单元天线的工作频率和极化旋向。四个四臂螺旋天线采用机械结构连接到基板上，基板可看作是反射面，增强低仰角性能；同时四个四臂螺旋天线的面式可单独调节，形成不同形状的方向图，在面对不同海况时的船体晃动程度，机械调节阵元面式，使天线重新塑形不同的方向图，做到智能适应不同航行环境，相比自适应天线阵和相控阵天线来说，本发明的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵结构简单、操作方便、成本低，可应用于智能船舶高精度定位和海事卫星通信。

进一步的，本发明的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，通过可控功分馈电网络，实现单元天线之间激励电流相位之间的不同，可以改变天线阵整体的辐射方向图和工作效率；同时也可实现单元天线数量的变化，通过停止单元天线的激励形成三元或两元天线阵列，可控功分馈电网络与可控面式反射面支架相结合，进一步的提高了天线阵的适应性和便捷性。本天线阵具有非常好的通信、导航兼容性和船体、星体适应性，既避免了原有天线阵体积大的缺点，实现了天线方向图、极化等参量的快速切换。

附图说明

图1为本发明的一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵示意图；

图2a为本发明的可控功分馈电网络立体结构示意图；

图2b为本发明的可控功分馈电网络示意图；

图3为本发明的可调支撑螺杆与反射面示意图；

图4为本发明的活动顶端馈电电路示意图；

图5为本发明的可调式开槽巴伦和可调式阻抗变换器示意图；

图6a为本发明的四臂螺旋天线两组辐射振子馈电示意图；

图6b为本发明的四臂螺旋天线两组辐射振子圆极化示意图。

附图标识说明

1.四臂螺旋天线单元、2.天线振子臂、3.顶部活动电路、4.反射板、5.基板、6.T型开槽、7.可调支撑螺杆、7_1.第一支撑件、7_2.第二支撑件、8.射频端口、9.顶部PCB板、10.印制金属带条、11.寄生振子、12.连接条、12_1.外导体连接点、13.内导体连接点、14.可调式阻抗变换器、15.可调式开槽巴伦、16.激励端口、17.天线端口。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，为本发明的一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其包含：用于发射和接收信号的四臂螺旋天线阵列作为阵元天线、可控反射面支架组件和四个可控功分馈电网络。

所述四臂螺旋天线阵列由四个自相移的四臂螺旋天线1组成，每个四臂螺旋天线1包含：一个开槽长度可调的可调式开槽巴伦15和一个带活动滑环的可调式阻抗变换器14。所述四臂螺旋天线1采用陶瓷空气介质加载，其顶部带有可调节的顶负载即活动顶端馈电电路，用来收发信号。各个可调式开槽巴伦15分别作为各个四臂螺旋天线1外导体，所述可调式开槽巴伦15由开槽空心铜管制成，开槽上可放置可调的金属卡扣实现开槽长度可调。各个可调式阻抗变换器14分别作为各个四壁螺旋天线1的内导体，所述可调式阻抗变换器14由一根多段粗细不同金属柱制成，其上带有两个滑环。所述可控反射面支架组件包含四个反射面4，以满足四臂螺旋天线1的高增益特性，四个四臂螺旋天线1分别安装于所述反射面4上。每个反射面4上均安装有一个射频端口8即馈电端口，所述可控功分馈电网络通过同轴线和每个反射面4上的射频端口8分别与所述四臂螺旋天线1的连接。各个反射面4可旋转，通过改变所述反射面4的转向可以改变四臂螺旋天线1的指向。

如图1、图2a和2b结合所示，在本实施例中，所述可控功分馈电网络包含一个含微带贴片的可调馈电网络，其印制在FR4的方形介质基板上。所述含微带贴片的可调馈电网络的底部中心设置有激励端口16，方形四边中心各设置一个天线端口17，每个天线端口17通过同轴线分别与对应的反射面4上的射频端口8连接以连通四臂螺旋天线1，实现对每个四臂螺旋天线1的激励；所述微带贴片上开有缝隙通过可移动滑片连接，实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用，即所述微带贴片上带有可移动滑片能够调节并使得与各个反射面4连接的天线端口17之间的相位产生变化，同时通过装卸可移动滑片实现单个天线阵元的启动和关闭，保证四元可控化四臂螺旋天线阵更好的实现圆极化信号的发射与接收和方向图的改变。

如图2a和2b所示，所述微带贴片包含：四条互相垂直连接的主微带，所述主微带的一端设置有天线端口17，各个主微带连接处设置有激励端口16，所述主微带包含至少两条并行排列的弧形微带，各个弧形微带之间形成弧形滑道即缝隙，可移动滑片沿所述弧形滑道滑动，以实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用。可选的，所述弧形微带的条数根据实际需要进行设置。

如图2a和2b所示，为可控功分馈电网络工作示意图：激励端口16接收同轴线激励信号，通过四条主微带将信号分成等功率的四路，分别进入缝隙微带贴片即各个弧形微带，通过移动可移动滑片使馈电路径长度改变进行相移，然后由天线端口17分别接收不同相位的信号。所述可控功分馈电网络通过改变可移动滑片在缝隙上的位置实现四个输出端到达反射面4的馈电端口时相位变化，同时也可通过装卸可移动滑片实现四臂螺旋天线1的启动和关闭，确保四元可控化四臂螺旋天线阵更好的实现圆极化信号的发射与接收以及天线阵方向的改变。

如图1所示，所述可控反射面支架组件还包含：基座5、四个可调支撑螺杆7和四个驱动装置。所述基座5上开设有对称的四个T型开槽6，相邻两个T型开槽6之间相互垂直。所述可调支撑螺杆7一端与所述基座5的T型开槽6滑动连接，另一端与所述反射面4连接，每个反射面4上安装有射频端口8，所述四臂螺旋天线1垂直安装在所述反射面4上且与所述射频端口8的一端连接，即所述四臂螺旋天线1和所述反射面4通过所述射频端口8连接，实现四臂螺旋天线1的激励。所述驱动装置(如电机)与所述可调支撑螺杆7连接以驱动所述可调支撑螺杆7沿所述T型开槽6滑动。

在本实施例中，所述反射面4为圆形金属反射板，所述基座5为正方形板。

进一步的，如图1和图3结合所示，所述可调支撑螺杆7包含：第一支撑件7_1和第二支撑件7_2。第一支撑件7_1与所述基座5的T型开槽6滑动连接，在本实施例中，所述第一支撑件7_1与所述基座5的T型开槽6垂直连接，所述驱动装置驱动所述第一支撑件7_1沿所述T型开槽6滑动，可沿开槽方向上调节所述四臂螺旋天线1的方位，并改变各个四臂螺旋天线1之间的距离。所述第一支撑件7_1和T型开槽6的滑动连接处包含第一螺栓组件以固定所述第一支撑杆，当所述第一支撑件7_1滑到需要的位置时，可借助第一螺栓组件将其固定。所述第二支撑件7_2一端通过第二螺栓组件与所述第一支撑件7_1连接，所述第二支撑件7_2另一端与所述反射面4连接，所述四臂螺旋天线1通过第二支撑件7_2和第一支撑件7_1设置于所述基座5上，调节第二螺栓组件可改变反射面4的转向进而改变四臂螺旋天线1的方向，以使天线阵元面式整个上半球空间内自由调节。

借助于第一支撑件7_1、第二支撑件7_2、第一螺栓组件和第二螺栓组件，四个反射面4可以独自旋转也可以同步旋转，进而改变可控面式小型四元四臂螺旋天线阵阵列方向图、增益、驻波比(SWR)等特性。换言之，四臂螺旋天线1的轴向空间变化，具体包含同步模式、异步模式和适应模式。在同步模式下，四个四臂螺旋天线1相对位置不发生改变，同步沿开槽移动天线位置，同步转动天线面向，实现天线阵的最大辐射方向的改变。在异步模式下，四个四臂螺旋天线1面向从垂直方向有外侧分别向水平方向转动，实现天线阵方向图重塑，增强低仰角增益。当四个反射面4所在平面和水平面相同时，四个四臂螺旋天线1的轴向垂直于水平面，此时天线阵列垂直方向增益最大，天线的波瓣宽度较小。当反射面4所在平面与水平方向的夹角角度较小时，低仰角增益较小，适合在反射较强的场所进行定位，如风平浪静或者风浪较小的海面上，镜面反射能力较强，可以降低多径效应带来的负面影响。在适应模式下，天线阵列结合可控功分馈电网络和基板上T型开槽6，实现天线阵阵元的相位变化、数量变化、间距变化以及天线的面向，可根据实际环境，适应性的调节天线阵，实现天线阵辐射方向图的灵活可调。由上可知，在本实施例中，可控面式小型四元四臂螺旋天线阵在带有中心对称T型开槽6的基板上安装可以控制反射面4的可调支撑螺杆7，实现控制四臂螺旋天线1之间的间距和四臂螺旋天线1的轴向，进而控制天线阵的方向图、增益。

所述反射面4中心承载射频端口8连接自相移四臂螺旋天线1，反射面4与阵元天线主轴方向垂直，且背面通过同轴线与可控功分馈电网络端口相连。所述可控反射面支架组件保障了天线的低仰角增益，减少了阵元之间的相互影响，实现了天线阵阵元的方便可控。

进一步的，本发明采用了自相移四臂螺旋天线1，其结构简单，没有复杂的馈电网络，具有良好的心形方向图。具体地，如图1所示，所述四臂螺旋天线1包含：内导体、外导体、中间介质层、第一天线振子2、第二天线振子、第三天线振子、第四天线振子和活动顶端馈电电路。

具体地，所述外导体为空心金属管制成的开槽长度可调的可调式开槽巴伦，所述内导体为带有活动滑环的可调式阻抗变换器，所述内导体设置于所述外导体内部，所述内导体和外导体设置于四臂螺旋天线1的轴向中心。

所述中间介质层呈空心圆柱体状，所述内导体和外导体设置于所述中间介质层的内部，所述中间介质层的外壁通过粘接铺设柔性PCB(Printed Circuit Board，印刷电路板)板。所述第一天线振子2、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子依次均匀间隔设置在所述PCB板上，相邻两个天线振子长度不等。其中，第一天线振子2和第三天线振子的长度相等，其为长臂振子，其长度为大于谐振波长1/8个波长；第二天线振子和第四天线振子的长度相等，其为短臂振子，其长度为小于谐振波长1/8个波长；因此，所述长臂振子和所述短臂振子的长度相差1/4个波长。

在本实施例中，所述中间介质层采用陶瓷材料制成，将陶瓷材料作为介质层具有较高的介电常数，并且因为其为空心结构，改变了原有的介电常数，使得四臂螺旋天线1的尺寸能够明显减小。但是如果介质层厚度过厚会造成四臂螺旋天线1的增益和效率降低，因此最终确定将天线尺寸缩小至原来的1/2～1/3，同时增益和效率也不至于大幅受损。

所述活动顶端馈电电路3即顶负载通过螺栓组件设置于所述四臂螺旋天线1的顶端，所述活动顶端馈电电路印制在一顶部PCB板9上，所述第一天线振子2、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子分别与所述活动顶端馈电电路连接，所述活动顶端馈电电路可沿四臂螺旋天线1的轴向左右旋转(例如旋转90°)，以调节活动顶端馈电电路与不同的天线振子相连接，改变旋向连接的四臂螺旋天线1上的不同长度的天线振子，进而改变天线阵的极化特性。

进一步的，如图1和图4结合所示，所述活动顶端馈电电路3包含：四个印制金属带条10和四个寄生振子11。各个印制金属带条10分别通过固定螺丝与所述第一天线振子2、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子连接，一个扇形金属滑片通过连接条12与印制金属带条10相连接及其连接的天线振子共同组成第一辐射振子组，剩下的印制金属带条及其连接的天线振子的成为第二辐射振子组，所述第一辐射振子组通过扇形金属滑片和内导体连接点13与所述四臂螺旋天线1的内导体(即可调式阻抗变换器14)顶部连接，所述第一辐射振子组、第二辐射振子组都通过连接条12和外导体连接连接点12_1与所述四臂螺旋天线1的外导体(即可调式开槽巴伦15)连接，实现所述第一辐射振子组与所述第二辐射振子组之间馈电平衡，拨动扇形金属滑片可调节第一辐射振子组和第二辐射振子组的组成。各个寄生振子11分别与各个印制金属带条10连接以拓宽四臂螺旋天线1的频带范围。

如图5所示，为本发明的可调式开槽巴伦15和可调式阻抗变换器14。在本实施例中，同轴线包含同轴线外导体和同轴线内导体。

所述可调式开槽巴伦15由空心金属管制成，其位于四臂螺旋天线1内，构成所述四臂螺旋天线1的外导体，可调式开槽巴伦15的空心金属管管壁开设四个十字对称的长度为谐振波长1/4个波长的竖向开槽，竖向开槽上附加金属卡扣，以实现竖向开槽长度的调整，所述可调式开槽巴伦15顶部通过连接条12上的外导体连接点12_1与活动顶端馈电电路3连接，所述可调式开槽巴伦15底部通过射频端口8与同轴线外导体相连，在实现同轴线馈电的非平衡向平衡转换的同时，也可以起到扼流和稳定天线结构的作用。即所述可调式开槽巴伦15顶部通过连接条12上的外导体连接点12_1与所述第一、第二辐射振子组连接，其底部与同轴线外导体连接。所述开槽巴伦15加强了螺旋天线阵的整体机械强度。在本实施例中，所述开槽巴伦15为开槽空心铜管。

所述可调式阻抗变换器14用于馈电端口(射频端口8)和天线之间的阻抗匹配，其套嵌设置于所述可调式开槽巴伦15内部作为天线内导体。所述可调式阻抗变换器14为一多段不同粗细(横截面积不同)的实心金属柱，所述实心金属柱上滑动连接两金属圆环实现实心金属柱的不同位置的半径变化，调节金属柱的阻抗，使之与射频端口8(50Ω)之间的阻抗匹配，提高天线的效率。所述实心金属柱顶部通过内导体连接点13和扇形金属滑片与所述四臂螺旋天线1的第一组辐射振子组连接，所述实心金属柱底部通过射频端口8与同轴线内导体连接。所述可调式开槽巴伦15实现了集成电路端口和辐射振子之间的连接和阻抗匹配(即天线单元和集成电路之间的阻抗匹配)，通过调动滑动环改变实心金属柱的轴向半径，改变系统的阻抗特性，进而改变天线的辐射特性，提高天线的适应性。因为同轴线内导体和同轴线外导体电流相位相差180°，将天线内导体与同轴线内导体相连，天线外导体与同轴线外导体相连进行馈电，实现天线内导体和外导体电流相位相差180°，继而实现第一辐射振子组和第二辐射振子组电流相位相差180°。

在本实施例中，每个四臂螺旋天线1采取自相移四臂螺旋结构产生圆极化辐射，其单元天线的两组辐射振子组的馈电如图6a所示，采用同轴线激励，利用同轴线内导体和同轴线外导体电流相位相差180°，同轴线内导体通过可调式阻抗变换器14与第一辐射振子组相连接，同轴线外导体通过可调式开槽巴伦15与第一辐射振子组、第二辐射振子组连接，实现两组辐射振子组电流大小相等、相位相差180°，然后每组辐射振子连接的短振子长度短于谐振波长长度约为八分之一，产生一个相对于谐振时有-45°相移的容性输入阻抗；连接的长振子长度长于谐振波长长度约为八分之一，产生一个相对于谐振时有45°相移的感性输入阻抗，实现每组辐射振子组相位正交，进而实现天线圆极化辐射。圆极化波束在穿过大气层时不会产生法拉第旋转效应而降低通信质量，同时圆极化波束具有极化正交的特性，即左旋圆极化波(LHCP)和右旋圆极化波(RHCP)两者之间具有很强的隔离特性，使得右旋圆极化波只能被同样圆极化特性的天线接收，同样，左旋圆极化波只能被同样圆极化特性的天线接收。由于不同卫星导航系统频段的不同极化特性，本发明采用的天线单元可调节天线的极化特性，如图6b所示：活动顶端馈电电路解除连接螺丝的固定后，旋转活动顶端馈电电路3的扇形金属滑片90°，实现印制金属带条10连接的每组的长短振子位置互换，进而实现输入端口的电流相位差旋向发生变化，实现改变单元天线的极化特性。

综上所述，本发明的一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，将各个含有可调式开槽巴伦和可调式阻抗变换器的四臂螺旋天线1、可控反射面支架组件和可控功分馈电网络等相结合，组建了中心对称的四元可调节面的天线阵，展宽天线频带和增强低仰角性能，可根据不同的需求调节阵元间距、阵元工作数量、阵元指向、阵元间相位差等参数，进而调节天线阵阻抗、频段、尺寸、方向图、极化等特征参量，实现了天线阵方向图、极化等参量的快速切换。使得天线具有非常好的通信与导航兼容性和适应性，使得整个天线阵列适用于各种场景，同时保证了天线辐射的低仰角增益、上半球方向全覆盖和水平全向覆盖，可用于各种海况条件下海事卫星通信系统和船舶高精度定位导航系统。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，包含：

用于发射和接收信号的四臂螺旋天线阵列，其包含四个自相移的四臂螺旋天线，每个四臂螺旋天线包含：一个开槽长度可调的可调式开槽巴伦作为天线外导体，一个带活动滑环的可调式阻抗变换器作为天线内导体；

可控反射面支架组件，包含四个反射面，四个四臂螺旋天线分别安装于所述反射面上；

四个可控功分馈电网络，各个可控功分馈电网络分别通过同轴线与各个四臂螺旋天线连接。

2.如权利要求1所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述可控反射面支架组件还包含：

基座，所述基座上开设有对称的四个开槽，相邻两个开槽之间相互垂直；

四个可调支撑螺杆，所述可调支撑螺杆的一端与所述基座的开槽滑动连接，所述可调支撑螺杆的另一端与所述反射面连接，每个反射面上安装有射频端口，所述四臂螺旋天线通过所述射频端口垂直安装在所述反射面上；

四个驱动装置，分别与所述可调支撑螺杆连接以驱动所述可调支撑螺杆沿所述开槽移动。

3.如权利要求2所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，

所述反射面为圆形反射板，所述基座为正方形板，所述基座上的开槽为T型开槽。

4.如权利要求2所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述可调支撑螺杆包含：

第一支撑件，与所述基座的开槽滑动连接，所述第一支撑件和开槽的滑动连接处包含第一螺栓组件以固定所述第一支撑杆；

第二支撑件，其一端与所述第一支撑件通过第二螺栓组件连接，所述第二支撑件另一端与所述反射面连接，调节第二螺栓组件可改变反射面的转向。

5.如权利要求1所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述四臂螺旋天线包含：

内导体和外导体，所述外导体为空心金属管制成的开槽长度可调的可调式开槽巴伦，所述内导体为带有活动滑环的可调式阻抗变换器，所述内导体设置于所述外导体内部，所述内导体和外导体设置于四臂螺旋天线的轴向中心；

中间介质层，呈空心圆柱体状，所述内导体和外导体设置于所述中间介质层的内部，所述中间介质层外壁铺设有PCB板；

第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子，依次均匀间隔设置在所述PCB板上，其中，第一天线振子和第三天线振子的长度相等，且长度为大于谐振波长1/8个波长；第二天线振子和第四天线振子的长度相等，且长度为小于谐振波长1/8个波长；

活动顶端馈电电路，设置于所述四臂螺旋天线的顶端，所述第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子分别与所述活动顶端馈电电路连接，所述活动顶端馈电电路可沿四臂螺旋天线的轴向左右旋转，以调节所述活动顶端馈电电路与不同的天线振子相连接。

6.如权利要求5所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述活动顶端馈电电路包含：

四个印制金属带条，分别与所述第一天线振子、第二天线振子、第三天线振子和第四天线振子连接，一扇形金属滑片通过连接条与印制金属带条连通以和其连接的天线振子共同组成第一辐射振子组，未与扇形金属滑片接触的印制金属带条和其相连的天线振子组成第二辐射振子组，所述第一辐射振子组通过扇形金属滑片与所述可调式阻抗变换器顶部连接，所述第一辐射振子组、第二辐射振子组通过连接条与所述可调式开槽巴伦连接，实现两组辐射振子馈电平衡，拨动扇形金属滑片可调节第一辐射振子组和第二辐射振子组的组成；

四个寄生振子，分别与各个印制金属带条连接以拓宽四臂螺旋天线的频带范围。

7.如权利要求6所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，

同轴线包含同轴线外导体和同轴线内导体；

所述可调式开槽巴伦由空心金属管制成，空心金属管管壁开设四个十字对称的长度为谐振波长1/4个波长的竖向开槽，竖向开槽上附加金属卡扣，以实现竖向开槽长度的调整，所述可调式开槽巴伦的顶部通过连接条上的外导体连接点与活动顶端馈电电路连接，所述可调式开槽巴伦底部通过射频端口与同轴线外导体相连；

可调式阻抗变换器，设置于所述可调式开槽巴伦内部，所述可调式阻抗变换器为多段横截面积不同的实心金属柱，所述实心金属柱上设置两个金属环滑动，所述实心金属柱顶部通过活动顶端馈电电路的扇形金属滑片与第一辐射振子组连接，所述实心金属柱底部通过射频端口与同轴线内导体连接。

8.如权利要求5所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，

所述中间介质层采用陶瓷材料制备；

所述活动顶端馈电电路通过螺栓组件设置于所述四臂螺旋天线的顶端。

9.如权利要求1所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述可控功分馈电网络包含：

含微带贴片的可调馈电网络，其印制在FR4的方形介质基板上，其底部中心设置激励端口，四边中心设置四个天线端口，每个端口通过同轴线与对应的反射面上的射频端口连接以连通四臂螺旋天线；

所述微带贴片上开有缝隙通过可移动滑片连接，实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用。

10.如权利要求9所述的可控面式小型四元四臂螺旋天线阵，其特征在于，所述微带贴片包含：

四条互相垂直连接的主微带，所述主微带的一端设置有天线端口，各个主微带连接处设置有激励端口，所述主微带包含至少两条并行排列的弧形微带，各个弧形微带之间形成弧形滑道，可移动滑片沿所述弧形滑道滑动，以实现四个天线端口的相位改变和四臂螺旋天线的启用和停用。

Images