CN117317576B - 一种宽频带四臂螺旋天线 - Google Patents
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Abstract
本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种宽频带四臂螺旋天线，包括有中空六面体、分别设于中空六面体外部四侧面的四个螺旋耦合结构、设于中空六面体外部顶面并呈对称设置的四个三角耦合结构、设于中空六面体外部底面的馈电点及闭路点；馈电点与闭路点连接等。本发明中通过第一辐射单元、第二辐射单元在天线介质基板构成的中空六面体形成外内双层结构，第一辐射单元、第二辐射单元共同形成五条不同电流路径可有效的扩展四臂螺旋天线的带宽，使天线能够稳定的工作在所北斗卫星通讯系统需频段内，并且通过调节不同臂的长度控制各自产生不同但相近的谐振频率，达到扩宽频带的目的。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种宽频带四臂螺旋天线。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国着力发展经济和军事实力的产物，自主建设，独立运行，为全球用户提供精准、安全可靠、全天候、全时段的定位、导航、授时服务。
其中，接收天线是北斗卫星导航系统中重要的一部分，而北斗卫星导航系统对接收机天线存在着一定要求：第一，要求接收天线有着良好的全向性，天线需要能够接收上半球空间的来波，特别是低仰角处的电磁波；第二，接收天线为圆极化辐射模式；第三，天线的工作带宽要覆盖所需要的卫星导航系统的频段。
然而根据上述第三点的要求，单一的卫星导航频带一般都比较窄，大多数小于20MHz，从而，为了提升天线的泛用性，常采用多频天线以覆盖多个卫星导航频带，但是当要覆盖较为密集分布的频段时，多频天线难以稳定覆盖北斗卫星的多个频段，因此亟需研发一种能够稳定覆盖北斗卫星多个频段的宽频带四臂螺旋天线。
发明内容
（一）要解决的技术问题
为了克服上述中为了提升天线的泛用性，常用多频天线以覆盖多个卫星导航频带，但是当要覆盖较为密集分布的频段时，多频天线难以稳定覆盖北斗卫星的多个频段的问题，本发明提供一种能够稳定覆盖北斗卫星多个频段的宽频带四臂螺旋天线。
（二）技术方案
本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种宽频带四臂螺旋天线，包括有中空六面体、分别设于中空六面体外部四侧面的四个螺旋耦合结构、设于中空六面体外部顶面并呈对称设置的四个三角耦合结构、设于中空六面体外部底面的馈电点及闭路点；馈电点与闭路点连接；
还包括有：
分别设于中空六面体外部四侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第一辐射单元；所述第一辐射单元设有辐射单元主臂、外部下开路臂、外部辐射单元隔离臂、外部上开路臂和外部上短路臂；辐射单元主臂与外部上开路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，外部下开路臂与外部上短路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，上述两个水平直线形状为平行状态，且两个水平直线形状通过外部辐射单元隔离臂连接；第一辐射单元平面展开后为H形；
设于中空六面体外部顶面的用于连接四个第一辐射单元顶端的外金属短路环；
分别设于中空六面体内部侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第二辐射单元；第二辐射单元设有内部下开路臂、内部辐射单元隔离臂和内部上短路臂；内部下开路臂与内部上短路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，所述直线形状平行于上述第一辐射单元中的两个水平直线形状，内部辐射单元隔离臂垂直连接于内部下开路臂侧部；第二辐射单元平面展开后为T形；
设于中空六面体内部顶面的用于连接四个第二辐射单元顶端的内金属短路环；
用于第一辐射单元与第二辐射单元连通的连接金属柱；
第一辐射单元底端与馈电点连接。
进一步的，第一辐射单元设有的辐射单元主臂、外部下开路臂、外部上开路臂和外部上短路臂构成三个相近谐振频率的电流路径。
进一步的，第二辐射单元设有的内部下开路臂、内部上短路臂构成两个相近谐振频率的电流路径。
进一步的，内部辐射单元隔离臂通过连接金属柱与外部辐射单元隔离臂连接。
进一步的，所述四个三角耦合结构分别位于中空六面体外部顶面四角端部。
进一步的，辐射单元主臂底端连接于馈电点。
进一步的，所述螺旋耦合结构呈DNA形状。
进一步的，所述中空六面体由天线介质基板构成，螺旋耦合结构、三角耦合结构、第一辐射单元、第二辐射单元均通过蚀刻工艺蚀刻于天线介质基板。
进一步的，所述宽频带四臂螺旋天线的整体尺寸为25mm*25mm*30mm。
进一步的，所述内金属短路环圆径小于外金属短路环圆径。
（三）有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明中通过第一辐射单元、第二辐射单元在天线介质基板构成的中空六面体形成外内双层结构，第一辐射单元、第二辐射单元共同形成五条不同电流路径可有效的扩展四臂螺旋天线的带宽，使天线能够稳定的工作在所北斗卫星通讯系统需频段内，并且通过调节不同臂的长度控制各自产生不同但相近的谐振频率，达到扩宽频带的目的。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例第一辐射单元、第二辐射单元的平面展开图；
图3为本发明实施例的反射系数仿真结果示意图；
图4为本发明实施例1610Mhz时增益图；
图5为本发明实施例1610Mhz时圆极化辐射方向图；
图6为本发明实施例1610Mhz时轴比图；
附图中的标记为：1-中空六面体，2-螺旋耦合结构，3-三角耦合结构，4-第一辐射单元，41-辐射单元主臂，42-外部下开路臂，43-外部辐射单元隔离臂，44-外部上开路臂，45-外部上短路臂，5-第二辐射单元，51-内部下开路臂，52-内部辐射单元隔离臂，53-内部上短路臂，6-连接金属柱，7-内金属短路环，8-外金属短路环，9-馈电点，10-闭路点。
具体实施方式
本技术方案中：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-2所示，本发明提出了一种宽频带四臂螺旋天线，包括有中空六面体、分别设于中空六面体外部四侧面的四个螺旋耦合结构、设于中空六面体外部顶面并呈对称设置的四个三角耦合结构、设于中空六面体外部底面的馈电点及闭路点；馈电点与闭路点连接；
还包括有：
分别设于中空六面体外部四侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第一辐射单元；所述第一辐射单元设有辐射单元主臂、外部下开路臂、外部辐射单元隔离臂、外部上开路臂和外部上短路臂；辐射单元主臂与外部上开路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，外部下开路臂与外部上短路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，上述两个水平直线形状为平行状态，且两个水平直线形状通过外部辐射单元隔离臂连接；第一辐射单元平面展开后为H形；
设于中空六面体外部顶面的用于连接四个第一辐射单元顶端的外金属短路环；
分别设于中空六面体内部侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第二辐射单元；第二辐射单元设有内部下开路臂、内部辐射单元隔离臂和内部上短路臂；内部下开路臂与内部上短路臂连接且平面展开后呈同一水平直线形状，所述直线形状平行于上述第一辐射单元中的两个水平直线形状，内部辐射单元隔离臂垂直连接于内部下开路臂侧部；第二辐射单元平面展开后为T形；
设于中空六面体内部顶面的用于连接四个第二辐射单元顶端的内金属短路环；
用于第一辐射单元与第二辐射单元连通的连接金属柱；
第一辐射单元底端与馈电点连接；
其中，第一辐射单元设有的辐射单元主臂、外部下开路臂、外部上开路臂和外部上短路臂构成三个相近谐振频率的电流路径；三个相近的谐振频率电流路径进而扩展四臂螺旋天线的带宽；臂的长度和宽度可调节各自谐振的中心频率；
其中，第二辐射单元设有的内部下开路臂、内部上短路臂构成两个相近谐振频率的电流路径；两个相近的谐振频率电流路径进而扩展四臂螺旋天线的带宽；臂的长度和宽度可调节各自谐振的中心频率；
其中，内部辐射单元隔离臂通过连接金属柱与外部辐射单元隔离臂连接；所述结构的位置可调节第一辐射单元和第二辐射单元整体的谐振频率，所述结构可减小第一辐射单元和第二辐射单元相互影响的程度；
其中，所述四个三角耦合结构分别位于中空六面体外部顶面四角端部；所述结构可以调节天线的阻抗匹配，同时能使天线的谐振频率下降有利于小型化。
其中，辐射单元主臂底端连接于馈电点。
其中，所述螺旋耦合结构呈DNA形状，且螺旋耦合结构设置的挖槽大小和形状可以调节天线低仰角增益；
其中，所述中空六面体由天线介质基板构成，螺旋耦合结构、三角耦合结构、第一辐射单元、第二辐射单元均通过蚀刻工艺蚀刻于天线介质基板。
其中，所述宽频带四臂螺旋天线的整体尺寸为25mm*25mm*30mm。
其中，所述内金属短路环圆径小于外金属短路环圆径；内金属短路环、外金属短路环圆径根据天线的阻抗进行匹配；
其中，辐射单元主臂长度大于工作频率的二分之一波长；
通过增加外部辐射单元隔离臂、内部辐射单元隔离臂的长度，或者构成中空六面体的天线介质基板增厚，能够降低内、外部辐射单元相互影响的程度且优化天线的性能；
本发明中通过第一辐射单元、第二辐射单元在天线介质基板构成的中空六面体形成外内双层结构，第一辐射单元、第二辐射单元共同形成五条不同电流路径（第一辐射单元设有的辐射单元主臂、外部下开路臂、外部上开路臂和外部上短路臂构成三个相近谐振频率的电流路径+第二辐射单元设有的内部下开路臂、内部上短路臂构成两个相近谐振频率的电流路径）可有效的扩展四臂螺旋天线的带宽，使天线能够稳定的工作在所北斗卫星通讯系统需频段内，并且通过调节不同臂的长度控制各自产生不同但相近的谐振频率，达到扩宽频带的目的。
本发明所述天线的整体尺寸为25mm*25mm*30mm，所述天线的-10dB的频带为1598Mhz~1632Mhz；所述天线在1.610GHz处3dB轴比波束宽度为122°,轴向增益为4.8dBi,20°仰角处的增益为4.49dB。
实施例
图3中为S11（反射系数）：纵坐标为dB；横坐标为频率，频率低于-10db的部分天线可以辐射能量（通信），该图说明了天线有两个频段，而且频段较宽；
图4为工作频点（1.610GHz）处的方向图：纵坐标为增益；横坐标为theta（频率、phi固定），该图说明频率、phi固定时theta与增益的变化情况，得出天线低仰角增益等参数；
图5是把图4（直角坐标系）转变为极坐标系得出，图4图5可以理解为三维增益方向图的一个切面；
图6和图4类似只不过把纵坐标换成了轴比（AR），该图说明频率、phi固定时theta与轴比的变化情况，得出天线3dB轴比波束宽度等参数。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种宽频带四臂螺旋天线，包括有中空六面体（1）、分别设于中空六面体（1）外部四侧面的四个螺旋耦合结构（2）、设于中空六面体（1）外部顶面并呈对称设置的四个三角耦合结构（3）、设于中空六面体（1）外部底面的馈电点（9）及闭路点（10）；馈电点（9）与闭路点（10）连接，其特征在于：
还包括有：
分别设于中空六面体（1）外部四侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第一辐射单元（4）；
设于中空六面体（1）外部顶面的用于连接四个第一辐射单元（4）顶端的外金属短路环（8）；
分别设于中空六面体（1）内部侧面并呈螺旋向上爬升形状的四个用于扩展天线带宽的第二辐射单元（5）；
设于中空六面体（1）内部顶面的用于连接四个第二辐射单元（5）顶端的内金属短路环（7）；
用于第一辐射单元（4）与第二辐射单元（5）连通的连接金属柱（6）；
第一辐射单元（4）底端与馈电点（9）连接；
所述第一辐射单元（4）设有辐射单元主臂（41）、外部下开路臂（42）、外部辐射单元隔离臂（43）、外部上开路臂（44）和外部上短路臂（45）；辐射单元主臂（41）与外部上开路臂（44）连接且平面展开后呈同一水平直线形状，外部下开路臂（42）与外部上短路臂（45）连接且平面展开后呈同一水平直线形状，上述两个水平直线形状为平行状态，且两个水平直线形状通过外部辐射单元隔离臂（43）连接；第一辐射单元（4）平面展开后为H形；
第二辐射单元（5）设有内部下开路臂（51）、内部辐射单元隔离臂（52）和内部上短路臂（53）；内部下开路臂（51）与内部上短路臂（53）连接且平面展开后呈同一水平直线形状，内部辐射单元隔离臂（52）垂直连接于内部下开路臂（51）侧部；第二辐射单元（5）平面展开后为T形；
第一辐射单元（4）设有的辐射单元主臂（41）、外部下开路臂（42）、外部上开路臂（44）和外部上短路臂（45）构成三个相近谐振频率的电流路径；
第二辐射单元（5）设有的内部下开路臂（51）、内部上短路臂（53）构成两个相近谐振频率的电流路径；
内部辐射单元隔离臂（52）通过连接金属柱（6）与外部辐射单元隔离臂（43）连接；
所述四个三角耦合结构（3）分别位于中空六面体（1）外部顶面四角端部；
辐射单元主臂（41）底端连接于馈电点（9）；
所述螺旋耦合结构（2）呈DNA形状。
2.根据权利要求1所述的一种宽频带四臂螺旋天线，其特征在于：所述中空六面体（1）由天线介质基板构成，螺旋耦合结构（2）、三角耦合结构（3）、第一辐射单元（4）、第二辐射单元（5）均通过蚀刻工艺蚀刻于天线介质基板。
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Non-Patent Citations (1)
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| 卫星导航终端的小型化方形四臂缝隙螺旋天线;邱凯翔;袁家德;;微波学报(第03期);第34-37页 * |
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