CN204991964U - 馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线 - Google Patents

Abstract

一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，包括有天线的外壳和外壳内的天线主体，其特征在于：所述天线主体上部设置有双螺旋偶极子结构的振子，所述振子设置于振子支撑架内，所述天线主体下部包括有射频PCB板、放大电路和屏蔽罩，所述支撑架设置于天线主体中间的射频PCB板上，所述射频PCB板上设置有馈电点和接地点，所述振子与射频PCB板平行，所述放大电路设置于射频PCB板的下表面，所述屏蔽罩设置于射频PCB板下表面，其优点在于：采用单点馈电，有利于天线小型化，制作工艺简单，实现低成本，增加了天线的辐射效率，采用短路环实现阻抗匹配，频率调整和阻抗调整相对独立，调整方式简单，利于生产调试。

Description

馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线

技术领域

本发实用新型涉及一种卫星导航天线技术领域，尤其指一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线。

背景技术

全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)是利用卫星为用户提供定位、导航、测绘、监测、授时服务，卫星导航具有全时空、全天侯、高精度、连续实时提供导航、定位和授时的特点，因此在经济发展、社会建设及管理、科学研究、灾害评估及防控以及军事领域起着至关重要的作用，关系国防安全和人们生活的方方面面。

目前全球有四大全球导航卫星系统(GNSS):美国的GPS（GlobalPositioningSystem）、俄罗斯的GLONASS（GlobalNavigationSatelliteSystem）、欧洲的Galileo和中国的北斗COMPASS。由于这些系统的卫星分布在不同的轨道平面,对每一个用户而言，单个导航系统的卫星在空间的分布有限，定位服务的精确度、安全性、可靠性和可用性无法得到保障；因政治、军事的需要，卫星系统的主控方还可能暂停服务或提供错误信息；未来的卫星定位导航必将是多模式兼容，多系统联合定位，多个导航系统的卫星形成互补和相互验证，能够增加可见卫星的数量,提高定位的精度、可靠性和安全性。特别是在城市峡谷、密林深处等信号受到严重遮挡的情况下优势很明显，卫星导航接收机向着多模兼容的方向发展,并且市场上已经有多模导航芯片。在民用导航方面，四大导航系统的工作频段为：美国GPS的L1（1575.42±1.023MHz）、俄罗斯GLONASS的G1（1602±0.5625MHz）、欧洲Galileo的E1（1561.098±2.046MHz）和中国北斗二代的B1（1561.098±2.046MHz）频段。民用的GNSS天线工作频率为1559.052MHz-1602.5625MHz。

天线是卫星导航系统的前端，主要功能是用于接收卫星导航信号，其性能的优劣在一定程度上决定着卫星导航系统的性能。如今的导航天线不仅要满足用户对接收卫星导航信号质量的要求，还要符合导航终端体积小型化的要求，因此天线尽可能占用较小的空间体积，同时保证较好的天线性能。目前，市场上比较多的导航天线产品只是涵盖GPS频段或者GPS、GLONASS频段，或者北斗二代与GPS结合的频段。因此有必要设计能够覆盖四大导航系统的GNSS天线，同时兼顾四大卫星导航系统，实现全球导航卫星系统共用的通用导航天线。考虑到工艺差异及应用环境差异，天线覆盖的频段要求更大。

目前应用的导航天线主要采用螺旋天线和贴片天线技术为主，它们都有各自的优缺点。

螺旋天线为宽带天线，能覆盖GNSS频段，平面螺旋天线尺寸与工作波长成正比，因此天线整体笨重、体积较大、占用空间大，制造成本高；立体螺旋天线纵向高度较大，剖面高、难以共形、制作复杂；并且螺旋天线一般需要复杂的馈电结构，两臂螺旋需要巴伦结构，四臂螺旋需要分路器，如申请号为201410117350.6的发明专利，发明名称为“一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线”，采用电桥实现功分器功能。申请号为201410125651.3的发明专利，发明名称为一种顶端谐振四臂螺旋天线，采用一分四正交功分器实现功分功能。

贴片天线结构简单、制造成本低、体积较小、占用空间小，但采用常规设计方式，阻抗带宽比较窄，低仰角增益也难以满足要求，因此不能同时覆盖GNSS的所有频段，用于单独接收GPS或北斗或GLONASS的单频卫星导航天线，为了实现小型化，一般采用高介电陶瓷，需要采用稀土材料高温烧结及金银等贵重金属，工艺复杂成本高，横向尺寸最常用的为25*25mm，纵向高度为6～10mm。如文献[X.Li,L.Yang,”NovelDesignofBroadbandStripLinesFedPatchAntennaForGNSSApplication,”MicrowaveOptTechnolLett55(2013),2062-2066.]提出一种小型化的GNSS天线，尺寸减小到80mm*80mm*30mm，采用的是FR4介质；申请号为201310738702.5的发明专利，发明名称为“宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线”，采用的是空气介质；其实现的无源GNSS天线尺寸为70mm*70mm*25mm。

现有一种申请号为201410117350.6名称为《一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线》的中国发明专利申请了一种螺旋天线，其结构包括包括辐射主体和馈电网络，所述辐射主体由印刷在柔性介质板上的四个螺旋臂组成；每个螺旋臂均由一条主臂和一条寄生臂组成，并且每个螺旋臂中的主臂与寄生臂的顶部通过金属片连接；每个主臂均由依次连接的顶部金属片、中部金属片和底部金属片组成；其中，底部金属片和顶部金属片的宽度相同且均比中部金属片宽。该实用新型目的是提供一种低成本高增益宽频带宽波束圆极化四臂螺旋天线，但其缺点是，尺寸过大，结构复杂，重量过重，成本高，辐射效率不理想所以其结构还有待于改进。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种小型化，结构简单，成本低的，辐射效率高的天线。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，包括有天线的外壳和外壳内的天线主体，其特征在于：所述天线主体上部设置有按照双螺旋环绕方式的偶极子结构的振子，所述振子设置于振子支撑架内，所述天线主体下部包括有射频PCB板、放大电路和屏蔽罩，所述支撑架设置于天线主体中间的射频PCB板上，所述射频PCB板上设置有馈电点和接地点，所述振子与射频PCB板平行，所述放大电路设置于射频PCB板的下表面，所述屏蔽罩设置于射频PCB板下表面。

作为改进，所述外壳包括上盖和下盖，所述上盖和下盖盖合将天线主体保护在内，所述下盖下置有一块反射金属板。

作为改进，所述振子包括有起支撑作用的短路环和螺旋臂，短路环设置于馈电点和接地点上，且短路环垂直于射频PCB板上，连接振子。

作为改进，所述屏蔽罩扣置在射频PCB板下表面上构成一个保护腔将放大电路保护起来。

进一步改进，所述保护腔的一旁设置有一馈线，所述馈线一端设置于保护腔，另一端穿出上盖外。

进一步改进，所述的放大电路中设置有二级放大、带通滤波器、防静电电路和电源管理电路。

进一步改进，所述射频PCB板的上表面采用金属面，作为放大电路的地平面，同时间作为天线主体的底板。

作为改进，所述螺旋臂个数增加或使用不同长度的螺旋臂，且长度与所需工作频率相适配。

进一步改进，所述螺旋臂同时左右螺旋，且与极化形式想适配。

进一步改进，所述短路环的大小与天线主体所需要的阻抗适配。

现有技术相比，本实用新型的优点在于，采用馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线设计方法，短路环是加装在螺旋臂的馈电端，螺旋臂采用中心谐振波长的四分之一，天线的横向几何尺寸只有中心谐振波长的八分之一左右，在双螺旋臂的馈电端应用短路环实现匹配，不再需要巴伦结构或分路器，简化馈电结构，便于匹配和天线纵向尺寸的小型化；根据应用需要可采用右螺旋天线形式实现右旋极化，也可采用左螺旋天线形式实现左旋极化；采用偶极子谐振天线形式，根据偶极子天线效率高的特点，实现天线的高增益；将螺旋臂长度控制在谐振频率的四分之一波长。便于实现天线横向尺寸的小型化，因此，该实用新型是一种非常实用和安全性更可靠的创新，值得推广。

附图说明

图1是本实用新型实施例天线的结构示意图（剖面图）；

图2是图1中振子的结构示意图（轴测图）；

图3是图2天线驻波图；

图4是图2天线增益图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1至图4所示，本实施例的采用馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线如图1、图2，一种采用短路环匹配的偶极子螺旋天线，天线包括馈线5、天线上盖6、天线下盖7、金属反射板8、振子9、振子支撑架10、射频PCB11、有源放大电路12、屏蔽罩13组成。

射频PCB板11位于天线的中部位置，放大电路12位于射频PCB板11的下表面，放大电路中包含二级放大、带通滤波器、防静电电路、电源管理电路；屏蔽罩13将放大电路保护起来；射频PCB板11的上表面是完整的金属，作为放大电路的地平面，同时作为无源接收天线的地板。

振子9位于天线的上部，采用具有短路环的双螺旋偶极子结构。偶极子按照天线形状按照右螺旋方式环绕，构成两个螺旋臂1，两个螺旋臂关于中心轴旋转对称，与射频PCB板11平行；馈电点3和接地点4位于天线的中间位置，天线接收信号通过馈电点输入到射频PCB11下表面的有源放大电路12，接地点4与射频PCB板11上表面相连，实现直接接地；馈电点3和接地点4之间有一个短路环2，垂直于射频PCB板11，连接两个偶极子，实现阻抗匹配，同时也将两个螺旋臂连接成为整体，便于生产和相对位置的确定。

按照所需覆盖频率的中心频率，计算天线对应的谐振波长。以GNSS天线为例，民用的GNSS天线工作频率为1559.052MHz-1602.5625MHz，中心频率为1580.807MHz，真空中四分之一波长约为47.4mm，考虑到天线外壳、天线振子支撑物、金属反射面的影响，天线优选参数为：双螺旋臂为外径24mm，臂长约43.5mm，螺旋臂宽3mm，螺旋臂厚度0.2mm，短路环长度8～12mm，馈电点与接地点距离3mm，射频PCB尺寸为25*25mm。未连接有源放大电路前，天线的驻波图，可见在1555～1610MHz范围内，驻波小于2.0。有源放大电路的天线驻波图和增益图，测试时放大电路中，未采用带通滤波，可见增益带宽远超过所需范围，预留一定的设计余度，为材料参数偏差、工艺差异和公差控制预留偏差空间，从而降低工艺及材料要求，提高良品率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，仅是本发明天线实施的较佳示例而已，并非对本实用新型的技术范围做任何限制，本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明的创意精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，凡是依据本实用新型的技术实质对以上示例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型的技术方案范围。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，包括有天线的外壳和外壳内的天线主体，其特征在于：所述天线主体上部设置有按照双螺旋环绕方式环绕的偶极子结构的振子，所述振子设置于振子支撑架内，所述天线主体下部包括有射频PCB板、放大电路和屏蔽罩，所述支撑架设置于天线主体中间的射频PCB板上，所述射频PCB板上设置有馈电点和接地点，所述振子与射频PCB板平行，所述放大电路设置于射频PCB板的下表面，所述屏蔽罩设置于射频PCB板下表面。

2.根据权利要求1所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述外壳包括上盖和下盖，所述上盖和下盖盖合将天线主体保护在内，所述下盖底部设置有一块金属反射板。

3.根据权利要求1所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述振子包括有起支撑作用的短路环和螺旋臂，短路环设置于馈电点和接地点上，且短路环垂直于射频PCB板上，连接振子。

4.根据权利要求1所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述屏蔽罩扣置在射频PCB板下表面上构成一个保护腔将放大电路保护起来。

5.根据权利要求4所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述保护腔的一旁设置有一馈线，所述馈线一端设置于保护腔，另一端穿出上盖外。

6.根据权利要求4至5中任一所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述的放大电路中设置有二级放大、带通滤波器、防静电电路和电源管理电路。

7.根据权利要求6所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述射频PCB板的上表面采用金属面，作为放大电路的地平面，同时作为天线主体的底板。

8.根据权利要求3所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述螺旋臂个数增加或使用不同长度的螺旋臂，且长度与所需工作频率相适配。

9.根据权利要求8所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述螺旋臂同时左右螺旋，且与极化形式想适配。

10.根据权利要求3所述的一种馈电端短路环匹配的偶极子螺旋天线，其特征在于：所述短路环的大小与天线主体所需要的阻抗适配。