CN115799817B - 一种宽带小型化四臂螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种宽带小型化四臂螺旋天线，包括金属接地板，金属接地板上设有四个馈电端口，四个馈电端口相位差90°，馈电端口电性连接有辐射贴片的一端，辐射贴片包括竖直部分和弯折部分，辐射贴片的竖直部分底端与馈电端口电性连接，辐射贴片的竖直部分的中部通过辐射枝节与金属接地板电连接，辐射贴片的弯折部分沿正四棱柱轴线周向等间隔分布，四个辐射贴片的弯折部分位于同一平面，辐射贴片的竖直部分与金属接地板为断路。本发明通过对天线的顶部一段做折叠处理，降低剖面高度，实现四臂螺旋天线的低成本、小型化、优秀轴比特性和宽带，可以更好的运用在卫星通信系统中。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种宽带小型化四臂螺旋天线。
背景技术
随着现代无线通信的发展，全球卫星导航和北斗系统在人类社会生活中发挥着越来越重要的作用。针对于卫星信号的接收，不同类型的天线具有不同的优势和相应的局限性，因此不同的结构和功能特性也决定了应用范围。目前，卫星定位系统天线有多种形式，主要包括微带天线、四臂螺旋天线、缝隙天线和交叉偶极子天线。
其中，印刷四臂螺旋天线由于其重量轻、成本低、轴向比好和易于制造的优点，提供了一种更具前景的应用，但目前四臂螺旋天线具有加工难度高，体积大，剖面高的缺点。若将四臂螺旋天线进行小型化、低剖面，那么可以更好的满足现如今的卫星导航系统的需求。因此，小型化、低剖面是四臂螺旋天线在卫星通信系统中运用发展热的趋势。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽带小型化四臂螺旋天线，以解决上述问题，通过对天线的顶部一段做折叠处理，降低剖面高度，实现四臂螺旋天线的低成本、小型化、优秀轴比特性和宽带，可以更好的运用在卫星通信系统中。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种宽带小型化四臂螺旋天线，包括金属接地板，所述金属接地板上设有四个馈电端口，四个所述馈电端口相位差90°，对向的两个所述馈电端口间距相同，其中一组对向的两个所述馈电端口连线与另一组对向的两个所述馈电端口连线呈十字型，所述馈电端口电性连接有辐射贴片的一端，所述辐射贴片包括竖直部分和弯折部分，四个所述辐射贴片的竖直部分所在平面组成正四棱柱，所述辐射贴片的竖直部分底端与所述馈电端口电性连接，所述辐射贴片的竖直部分的中部通过辐射枝节与所述金属接地板电连接，所述辐射贴片的弯折部分沿所述正四棱柱轴线周向等间隔分布，四个所述辐射贴片的弯折部分位于同一平面，所述辐射贴片的竖直部分与所述金属接地板为断路。
优选的，所述辐射贴片的竖直部分包括第一L型辐射贴片、第二L型辐射贴片，所述第一L型辐射贴片与所述第二L型辐射贴片之间通过金属桥电性连接，所述第一L型辐射贴片远离所述馈电端口的一端与所述辐射枝节电性连接，所述第二L型辐射贴片远离所述第一L型辐射贴片的一端与所述辐射贴片的弯折部分电性连接。
优选的，所述第一L型辐射贴片、第二L型辐射贴片的拐角处圆角过渡处理，所述第一L型辐射贴片、第二L型辐射贴片沿所述金属桥中心对称设置。
优选的，所述辐射贴片的弯折部分包括顶部辐射贴片，所述顶部辐射贴片远离所述第二L型辐射贴片边部的一端电性连接有折叠辐射贴片，所述顶部辐射贴片与所述第二L型辐射贴片顶端电性连接，所述顶部辐射贴片、折叠辐射贴片沿所述正四棱柱轴线周向等间隔设置。
优选的，所述金属接地板上方设有介质柱，所述介质柱为中空结构，所述介质柱用于支撑所述第一L型辐射贴片、第二L型辐射贴片，所述第一L型辐射贴片固定连接在所述介质柱外表面，所述第二L型辐射贴片固定连接在所述介质柱内表面。
优选的，所述介质柱顶面设有盖体，所述顶部辐射贴片、折叠辐射贴片设在所述盖体上表面或下表面；
所述顶部辐射贴片、折叠辐射贴片位于所述盖体上表面时，所述顶部辐射贴片远离所述折叠辐射贴片的一端通过另一个所述金属桥与所述第二L型辐射贴片端部电性连接；
所述顶部辐射贴片、折叠辐射贴片位于所述盖体下表面时，所述顶部辐射贴片、折叠辐射贴片设在所述盖体下表面，所述顶部辐射贴片远离所述折叠辐射贴片的一端与所述第二L型辐射贴片端部电性连接。
优选的，所述辐射枝节一端与所述辐射贴片的竖直部分远离所述馈电端口的中部电性连接，所述辐射枝节另一端与所述金属接地板之间通过电阻电性连接。
优选的，所述金属接地板顶面固定连接有介质基板。
本发明具有如下技术效果：
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线采用的是，以导流和弧形旋转折叠的方法在保持天线底部结构不变的情况下把天线的顶部一段做变形处理，通过将辐射贴片设置为竖直部分和弯折部分实现天线尺寸的进一步降低。在保证四臂螺旋天线的优秀轴比特性和高波束宽度，满足天线的小型化、宽带的需求。本发明设计的方形宽带小型化四臂螺旋天线具有新的低剖面、小型化结构，通过该设计可以将四臂螺旋天线的剖面降低，实现四臂螺旋天线的小型化，基于四臂螺旋天线的宽波束与心型方向图，还有极佳的圆极化特性，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际运用价值。
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线采用90°相位差的同轴探针馈电模式，该模式可以在金属接地板下方增加等辐90°相位差的馈电网络以实现馈电，同轴馈电的方式使得功率容量较大，馈电阻抗容易选择控制，并且设计尺寸更小。90°相位差的顺序馈电实现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；本发明在大的工作带宽内，轴比小于0.5dB，具有极好的圆极化特性。
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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线的螺旋臂结构3D图；
图2为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线的俯视图；
图3为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线的侧视图；
图4为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线的仰视图；
图5为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线增加介质柱的3D图；
图6为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线增加介质柱的侧视图；
图7为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线增加介质柱的俯视图；
图8为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线增加介质柱、盖体结构示意图；
图9为本发明所设计宽带小型化四臂螺旋天线增加介质柱、盖体另一形式结构示意图；
图10为图9中顶部辐射贴片、折叠辐射贴片与盖体配合的仰视结构示意图。
其中，1、介质基板；2、辐射枝节；3、第一L型辐射贴片；4、第二L型辐射贴片；5、顶部辐射贴片；6、折叠辐射贴片；7、馈电端口；8、电阻；9、介质柱；10、金属桥；11、金属接地板。
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。
实施例一：参照图1至图4，本实施例提供一种宽带小型化四臂螺旋天线，包括金属接地板11，金属接地板11上设有四个馈电端口7，四个馈电端口7相位差90°，对向的两个馈电端口7间距相同，其中一组对向的两个馈电端口7连线与另一组对向的两个馈电端口7连线呈十字型，馈电端口7电性连接有辐射贴片的一端，辐射贴片包括竖直部分和弯折部分，四个辐射贴片的竖直部分所在平面组成正四棱柱，辐射贴片的竖直部分底端与馈电端口7电性连接，辐射贴片的竖直部分的中部通过辐射枝节2与金属接地板11电连接，辐射贴片的弯折部分沿正四棱柱轴线周向等间隔分布，四个辐射贴片的弯折部分位于同一平面，辐射贴片的竖直部分与金属接地板11为断路。
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线采用的是，以导流和弧形旋转折叠的方法在保持天线底部结构不变的情况下把天线的顶部一段做变形处理，通过将辐射贴片设置为竖直部分和弯折部分实现天线尺寸的进一步降低。在保证四臂螺旋天线的优秀轴比特性和高波束宽度，满足天线的小型化、宽带的需求。本发明设计的方形宽带小型化四臂螺旋天线具有新的低剖面、小型化结构，通过该设计可以将四臂螺旋天线的剖面降低，实现四臂螺旋天线的小型化，基于四臂螺旋天线的宽波束与心型方向图，还有极佳的圆极化特性，可以更好的运用在卫星通信系统中，具有实际运用价值。
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线采用90°相位差的同轴探针馈电模式，该模式可以在金属接地板11下方增加等辐90°相位差的馈电网络以实现馈电，同轴馈电的方式使得功率容量较大，馈电阻抗容易选择控制，并且设计尺寸更小。90°相位差的顺序馈电实现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；本发明在大的工作带宽内，轴比小于0.5dB，具有极好的圆极化特性。
进一步优化方案，辐射贴片的竖直部分包括第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4，第一L型辐射贴片3与第二L型辐射贴片4之间通过金属桥10电性连接，第一L型辐射贴片3远离馈电端口7的一端与辐射枝节2电性连接，第二L型辐射贴片4远离第一L型辐射贴片3的一端与辐射贴片的弯折部分电性连接。
本发明将第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4之间通过金属桥10进行连接，增加了天线辐射臂的长度，有利于降低天线的剖面，减小天线尺寸。
进一步优化方案，馈电端口7通过在金属接地板11上开孔与同轴探针连接，且馈电的外导体与金属接地板11连接，以保证第一L型辐射贴片3与金属接地板11为断路，且第一L型辐射贴片3与馈电端口7连接。
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线将内外层设置的第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4相结合形成四臂螺旋天线，内外层的第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4由金属桥10相连，这样设计的好处在于通过金属桥结构把天线的四臂螺旋结构尺寸减小，结合印刷式四臂螺旋天线的易共形的优势，使得本发明提出的天线实现了小型化，大大降低了加工成本。
进一步优化方案，第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4的拐角处圆角过渡处理，第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4沿金属桥10中心对称设置。
进一步优化方案，辐射贴片的弯折部分包括顶部辐射贴片5，顶部辐射贴片5远离第二L型辐射贴片4边部的一端电性连接有折叠辐射贴片6，顶部辐射贴片5为弧形结构，折叠辐射贴片6为弧形结构，顶部辐射贴片5与第二L型辐射贴片4顶端电性连接，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6沿正四棱柱轴线周向等间隔设置。
顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6采用弧形结构设置，增加了两者在顶部的臂长，在保证天线体积缩小的同时增强了天线的信号发射强度。
本实施例中的第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4、顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6厚度可以根据其结构强度进行适应性选择，保证其不产生变形即可。
实施例二：参照图5至图7，本实施例的宽带小型化四臂螺旋天线与实施例一的区别仅在于，金属接地板11上方设有介质柱9，介质柱9为中空结构，介质柱9用于支撑第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4，第一L型辐射贴片3固定连接在介质柱9外表面，第二L型辐射贴片4固定连接在介质柱9内表面。
通过设置介质柱9减少了第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4的厚度，从而可以减少辐射贴片的材料用量和重量，可以有效降低制造成本，对印刷在介质柱9内顶层的四个顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6，以曲流法在保持天线底部结构不变的情况下把天线的顶部一段做变形处理，实现天线尺寸的进一步降低。在保证四臂螺旋天线的优秀轴比特性和宽波束宽度，满足天线的小型化、宽带的需求。
参照图8，本实施例的另一优化方案，介质柱9顶面设有盖体，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6设在盖体上表面或下表面；
参照图8，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6位于盖体上表面时，顶部辐射贴片5远离折叠辐射贴片6的一端通过另一个金属桥10与第二L型辐射贴片4端部电性连接；
参照图9至图10，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6位于盖体下表面时，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6设在盖体下表面，顶部辐射贴片5远离折叠辐射贴片6的一端与第二L型辐射贴片4端部电性连接。
通过在介质柱9顶面设置盖体，可以减少顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6的厚度，减少两者的材料用量，降低天线的制作成本，同时不影响两者的结构强度以及天线整体的信号发射。
本发明提出的一种宽带小型化四臂螺旋天线与传统的四臂螺旋天线不同之处在于，该发明提出的方形宽带小型化四臂螺旋天线通过印刷式四臂螺旋天线易共形的原理实现小型化、低成本的优势，通过导流和弧形旋转折叠的方法，在保持天线底部结构不变的情况下把天线的顶部一段做变形处理，形成顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6，以实现天线尺寸的进一步减小，在降低剖面高度的情况下，保证了四臂螺旋天线的辐射特性：心性方向图，波束宽度保持在150°以上。四个辐射枝节通过电阻8与金属接地板11相连，形成等效倒F天线结构以达到天线宽带化和小型化。基于四臂螺旋天线的优秀心性方向图，以及极好的圆极化特性，从而实现卫星导航的高精度。
基于实施例一、实施例二的另一优化方案，辐射枝节2一端与辐射贴片的竖直部分远离馈电端口7的中部电性连接（即第一L型辐射贴片3远离馈电端口7的一端与辐射枝节2一端连接），辐射枝节2另一端与金属接地板11之间通过电阻8电性连接，通过电阻8拓展天线的带宽和小型化，同时更进一步降低天线的剖面。
基于实施例一、实施例二的另一优化方案，金属接地板11顶面固定连接有介质基板1。馈电端口7需要穿过介质基板1和第一L型辐射贴片3连接，在该方案中也可以在介质基板1上固接介质柱9。
基于上述方案的的另一方案，本发明中第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4、顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6可以采用一体结构，取消金属桥10连接第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4，将第一L型辐射贴片3、第二L型辐射贴片4印刷在介质柱9外表面，顶部辐射贴片5、折叠辐射贴片6印刷在介质柱9顶部盖体的上表面。
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 (3)
1.一种宽带小型化四臂螺旋天线，其特征在于，包括金属接地板（11），所述金属接地板（11）上设有四个馈电端口（7），四个所述馈电端口（7）相位差90°，对向的两个所述馈电端口（7）间距相同，其中一组对向的两个所述馈电端口（7）连线与另一组对向的两个所述馈电端口（7）连线呈十字型，所述馈电端口（7）电性连接有辐射贴片的一端，所述辐射贴片包括竖直部分和弯折部分，四个所述辐射贴片的竖直部分所在平面组成正四棱柱，所述辐射贴片的竖直部分底端与所述馈电端口（7）电性连接，所述辐射贴片的竖直部分的中部通过辐射枝节（2）与所述金属接地板（11）电连接，所述辐射贴片的弯折部分沿所述正四棱柱轴线周向等间隔分布，四个所述辐射贴片的弯折部分位于同一平面，所述辐射贴片的竖直部分与所述金属接地板（11）为断路；
所述辐射贴片的竖直部分包括第一L型辐射贴片（3）、第二L型辐射贴片（4），所述第一L型辐射贴片（3）与所述第二L型辐射贴片（4）之间通过金属桥（10）电性连接，所述第一L型辐射贴片（3）远离所述馈电端口（7）的一端与所述辐射枝节（2）电性连接，所述第二L型辐射贴片（4）远离所述第一L型辐射贴片（3）的一端与所述辐射贴片的弯折部分电性连接；
所述第一L型辐射贴片（3）、第二L型辐射贴片（4）的拐角处圆角过渡处理，所述第一L型辐射贴片（3）、第二L型辐射贴片（4）沿所述金属桥（10）中心对称设置；
所述辐射贴片的弯折部分包括顶部辐射贴片（5），所述顶部辐射贴片（5）远离所述第二L型辐射贴片（4）边部的一端电性连接有折叠辐射贴片（6），所述顶部辐射贴片（5）与所述第二L型辐射贴片（4）顶端电性连接，所述顶部辐射贴片（5）、折叠辐射贴片（6）沿所述正四棱柱轴线周向等间隔设置；
所述金属接地板（11）上方设有介质柱（9），所述介质柱（9）为中空结构，所述介质柱（9）用于支撑所述第一L型辐射贴片（3）、第二L型辐射贴片（4），所述第一L型辐射贴片（3）固定连接在所述介质柱（9）外表面，所述第二L型辐射贴片（4）固定连接在所述介质柱（9）内表面；
所述介质柱（9）顶面设有盖体，所述顶部辐射贴片（5）、折叠辐射贴片（6）设在所述盖体上表面或下表面；
所述顶部辐射贴片（5）、折叠辐射贴片（6）位于所述盖体上表面时，所述顶部辐射贴片（5）远离所述折叠辐射贴片（6）的一端通过另一个所述金属桥（10）与所述第二L型辐射贴片（4）端部电性连接；
所述顶部辐射贴片（5）、折叠辐射贴片（6）位于所述盖体下表面时，所述顶部辐射贴片（5）、折叠辐射贴片（6）设在所述盖体下表面，所述顶部辐射贴片（5）远离所述折叠辐射贴片（6）的一端与所述第二L型辐射贴片（4）端部电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽带小型化四臂螺旋天线，其特征在于，所述辐射枝节（2）一端与所述辐射贴片的竖直部分远离所述馈电端口（7）的中部电性连接，所述辐射枝节（2）另一端与所述金属接地板（11）之间通过电阻（8）电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种宽带小型化四臂螺旋天线，其特征在于，所述金属接地板（11）顶面固定连接有介质基板（1）。
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