CN114914681A - 一种多层低剖面四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层低剖面四臂螺旋天线，包括金属接地板，金属接地板顶面固定连接有三层筒型结构的介质基板，三层介质基板同轴设置，且三层介质基板与金属接地板同轴设置，相邻两层介质基板之间设置有间隔，每层介质基板上分别设置有四条旋向相同的螺旋金属带，每层介质基板上的四条螺旋金属带形成螺旋辐射臂，每层介质基板上的四条螺旋金属带的相位差均为90°，相邻两层介质基板上相对应的螺旋金属带通过连接桥连接，连接桥设置在间隔内，连接桥的轴线与介质基板的轴线垂直设置。本发明设计的多层低剖面四臂螺旋天线具有新的低剖面、小型化结构、良好的轴比、大的波束宽度、心型方向图，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际应用价值。

Description

一种多层低剖面四臂螺旋天线

技术领域

本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种多层低剖面四臂螺旋天线。

背景技术

随着无线通信技术的高速发展，近年来，圆极化天线受到了广泛关注，国内外开发了许多圆极化天线，并应用于各种无线通信系统，如全球定位系统(GPS)和卫星通信。圆极化天线在射频识别、全球定位系统、卫星通信和射频能量收集等系统中得到了广泛应用，得益于圆极化天线有助于防止发送和接收信号时法拉第旋转效应造成的多径失真和极化失配损失。圆极化天线可以降低偏振失配，消除信号通过电离层时的法拉第旋转，并在发送端和接收端方向上提供很大的灵活性。为了实现圆极化辐射，常见的卫星导航系统的接收天线主要是微带天线、四臂螺旋天线，四臂螺旋天线因其心形辐射模式和宽角度辐射和很好的波束宽度，得到的广泛的应用。此外，四臂螺旋天线的对称结构保持了稳定的相中心。近年来，印刷式四臂螺旋天线由于其重量轻、成本低、轴比好和易于制造等优点，受到广泛关注，且具有更为广阔的应用前景。相比于微带贴片天线，四臂螺旋天线体积大，剖面高，因此，微型化是四臂螺旋天线设计的重要课题之一。

目前，天线的发展趋向于高效化，小型化，轻量化的方向发展，而传统的四臂螺旋天线本身的缺点就是体积大，剖面高。此外，随着通信设备的逐步小型化，对天线的要求也更加苛刻，在确保天线的性能不受干扰的前提下，天线小型化问题是天线研发人员亟待解决的主要问题之一。如果可以将四臂螺旋天线小型化、低剖面设计，那么可以更好的满足卫星导航系统的需求。因此，小型化、低剖面将是四臂螺旋天线在设计和实际工程应用中运用需要解决的问题之一，也是目前四臂螺旋天线的发展趋势。

发明内容

本发明的目的是提供一种多层低剖面四臂螺旋天线，以解决现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多层低剖面四臂螺旋天线，包括金属接地板，所述金属接地板顶面固定连接有三层筒型结构的介质基板，三层所述介质基板同轴设置，且三层所述介质基板与所述金属接地板同轴设置，相邻两层介质基板之间设置有间隔，每层所述介质基板上分别设置有四条旋向相同的螺旋金属带，每层所述介质基板上的四条所述螺旋金属带形成螺旋辐射臂，每层所述介质基板上的四条所述螺旋金属带的相位差均为90°，相邻两层所述介质基板上相对应的所述螺旋金属带通过连接桥连接，所述连接桥设置在所述间隔内，所述连接桥的轴线与所述介质基板的轴线垂直设置。

优选的，所述连接桥为金属桥，所述金属桥分为两组，每组包括四个，所述金属桥的轴线与所述介质基板的轴线垂直设置。

优选的，位于最外层的所述介质基板的外壁的顶端固定套设有环形金属带，位于最外层的所述介质基板的所述螺旋金属带的顶端与所述环形金属带固定连接，所述环形金属带与所述螺旋金属带一体成形，位于最外层的所述介质基板的所述螺旋金属带的底端端口同轴馈电，且四个馈电口相位差为90°。

优选的，位于中层的所述介质基板上的所述螺旋金属带的底端与所述金属接地板的顶端固定连接；位于中层的所述介质基板上的所述螺旋金属带的顶部为开路。

优选的，位于最内层的所述介质基板外壁的所述螺旋金属带的两端均为开路。

优选的，所述介质基板上的所述螺旋金属带通过印刷的方式设置在所述介质基板的外壁。

本发明公开了以下技术效果：本发明提出的一种多层低剖面四臂螺旋天线采用的是多层结构，相邻两层之间的四臂螺旋结构的四条螺旋金属带分别由连接桥相连，将四臂螺旋天线的四臂螺旋结构分成三层，通过多层结构增加四臂螺旋天线的辐射臂的长度，使之与辐射频率的四分之一波长相对应，多层结构有效降低四臂螺旋天线的剖面高度。本发明设计的多层低剖面四臂螺旋天线具有新的低剖面、小型化结构、良好的轴比、大的波束宽度、心型方向图，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的三维结构图；

图2为本发明一种多层低剖面四臂螺旋天线的S11与轴比；

图3为本发明一种多层低剖面四臂螺旋天线1.575GHz的方向图。

其中，1、金属接地板；2、介质基板；3、螺旋金属带；4、金属桥；5、环形金属带。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3，本发明提供一种多层低剖面四臂螺旋天线，包括金属接地板1，金属接地板1顶面固定连接有三层筒型结构的介质基板2，三层介质基板2同轴设置，且三层介质基板2与金属接地板1同轴设置，相邻两层介质基板2之间设置有间隔，每层介质基板2上分别设置有四条旋向相同的螺旋金属带3，每层介质基板2上的四条螺旋金属带3形成螺旋辐射臂，每层介质基板2上的四条螺旋金属带3的相位差均为90°，相邻两层介质基板2上相对应的螺旋金属带3通过连接桥连接，连接桥设置在间隔内，连接桥的轴线与介质基板2的轴线垂直设置。

相邻两层之间的四臂螺旋结构的四条螺旋金属带3分别由连接桥相连，将四臂螺旋天线的四臂螺旋结构分成三层，通过多层结构增加四臂螺旋天线的辐射臂的长度，使之与辐射频率的四分之一波长相对应，多层结构有效降低四臂螺旋天线的剖面高度。本发明设计的多层低剖面四臂螺旋天线具有新的低剖面、小型化结构、良好的轴比、大的波束宽度、心型方向图，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际应用价值。本发明提供的多层低剖面四臂螺旋天线采用多层结构实现低剖面，保证了四臂螺旋天线的辐射特性：心性方向图，半功率波束宽度保持大于120°，GPS L1波段工作时，所提供的多层低剖面四臂螺旋天线的剖面高度仅为10mm，且具有优异的心性方向图和极好的圆极化特性，从而保证了卫星导航监测的范围和监测精度，同时满足了天线小型化的需求。

进一步优化方案，连接桥为金属桥4，金属桥4分为两组，每组包括四个，金属桥4的轴线与介质基板2的轴线垂直设置。

相邻两层四臂螺旋结构之间由金属桥4相连，实现四臂螺旋天线的相对臂长增加。整个四臂螺旋天线共有八根金属桥4，通过调整金属桥4的位置，改变该天线的相对臂长，实现相对臂长与波长的相关性，使天线的工作的中心频率在1.57GHz，满足了北斗三号和GPS的工作频率的同时，实现了天线的低剖面设计，在该频段，天线的剖面高度仅为10mm。

进一步优化方案，位于最外层的介质基板2的外壁的顶端固定套设有环形金属带5，位于最外层的介质基板2的螺旋金属带3的顶端与环形金属带5固定连接，环形金属带5与螺旋金属带3一体成形，位于最外层的介质基板2的螺旋金属带3的底端端口同轴馈电，且四个馈电口相位差为90°。

采用90°相位差的同轴馈电方式，可以在金属接地板1下方增加馈电网络以实现90°相位差的馈电，同轴馈电的方式功率容量较大，馈电阻抗容易选择控制，并且设计尺寸更小。调整同轴馈电网络的尺寸，使天线达到了良好的匹配，90°相位差的馈电保证天线在工作带宽内的圆极化特性，满足了卫星通信系统的需求；本发明在工作带宽内，轴比小于0.5dB，具有极好的圆极化特性。

进一步优化方案，位于中层的介质基板2上的螺旋金属带3的底端与金属接地板1的顶端固定连接；位于中层的介质基板2上的螺旋金属带3的顶部为开路。

进一步优化方案，位于最内层的介质基板2外壁的螺旋金属带3的两端均为开路。进一步优化方案，介质基板2的材料均FR-4。

进一步优化方案，介质基板2上的螺旋金属带3通过印刷的方式设置在介质基板2的外壁。环形金属带5同样通过印刷的方式设置在介质基板2的外壁。

螺旋金属带3印刷在三层圆柱形介质基板2上，大大降低了加工成本，印刷在每层圆柱形介质基板2上的四条螺旋金属带3相位相差90°，所有螺旋金属带3的旋向相同，每一层的螺旋金属带3与金属接地面的夹角不同，且与金属接地面的夹角由最外层至最内层依次减小。根据四臂螺旋天线的设计方法，印刷在最外层介质基板2上的四条螺旋金属带3构成第一层四臂螺旋结构；印刷在中间层介质基板2上的四条螺旋金属带3构成第二层四臂螺旋结构；印刷在最内层圆柱形介质基板2上的四条螺旋金属带3构成第三层四臂螺旋结构。

进一步优化方案，金属接地板1的材料为铜、铝或其他金属材料。金属接地板1的材料包括但不限于铜、铝。

金属接地板1具有反射板的作用，在反射电磁波的同时与阻止了空间中其他无用的电磁波传输到辐射单元，实现天线的定向辐射，且金属接地板1可以提高天线的增益，使四臂螺旋天线具有了稳定的辐射特性。

本发明公开了一种多层低剖面四臂螺旋天线，该天线通过采用多层结构实现低剖面。在降低剖面高度的条件下，保证了该四臂螺旋天线辐射的心形方向图、宽波束和优异的辐射特性。通过在相邻两层之间的四臂螺旋结构添加金属桥4并改变其位置，从而改变了四臂螺旋天线的相对臂长，实现了四臂螺旋天线的臂长与工作频率的四分之一波长之一致。该方法实现了四臂螺旋天线的低剖面设计。本发明设计的多层低剖面四臂螺旋天线具有结构简单，易于加工，调试步骤简单，心形方向图，波束带宽大，圆极化特性好等优点，因此该天线可以广泛地应用于卫星导航系统中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于，包括金属接地板(1)，所述金属接地板(1)顶面固定连接有三层筒型结构的介质基板(2)，三层所述介质基板(2)同轴设置，且三层所述介质基板(2)与所述金属接地板(1)同轴设置，相邻两层介质基板(2)之间设置有间隔，每层所述介质基板(2)上分别设置有四条旋向相同的螺旋金属带(3)，每层所述介质基板(2)上的四条所述螺旋金属带(3)形成螺旋辐射臂，每层所述介质基板(2)上的四条所述螺旋金属带(3)的相位差均为90°，相邻两层所述介质基板(2)上相对应的所述螺旋金属带(3)通过连接桥连接，所述连接桥设置在所述间隔内，所述连接桥的轴线与所述介质基板(2)的轴线垂直设置。

2.根据权利要求1所述的一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于：所述连接桥为金属桥(4)，所述金属桥(4)分为两组，每组包括四个，所述金属桥(4)的轴线与所述介质基板(2)的轴线垂直设置。

3.根据权利要求1所述的一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于：位于最外层的所述介质基板(2)的外壁的顶端固定套设有环形金属带(5)，位于最外层的所述介质基板(2)的所述螺旋金属带(3)的顶端与所述环形金属带(5)固定连接，所述环形金属带(5)与所述螺旋金属带(3)一体成形，位于最外层的所述介质基板(2)的所述螺旋金属带(3)的底端端口同轴馈电，且四个馈电口相位差为90°。

4.根据权利要求1所述的一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于：位于中层的所述介质基板(2)上的所述螺旋金属带(3)的底端与所述金属接地板(1)的顶端固定连接；位于中层的所述介质基板(2)上的所述螺旋金属带(3)的顶部为开路。

5.根据权利要求4所述的一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于：位于最内层的所述介质基板(2)外壁的所述螺旋金属带(3)的两端均为开路。

6.根据权利要求1所述的一种多层低剖面四臂螺旋天线，其特征在于：所述介质基板(2)上的所述螺旋金属带(3)通过印刷的方式设置在所述介质基板(2)的外壁。

Images