CN203747041U - 一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，包括辐射主体和馈电网络；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。本实用新型设计灵活，可以在宽频带范围内实现较高的增益，圆极化性能好，结构紧凑，重量轻，易加工，非常适合作为通信或导航领域的便携终端。

Description

一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线

技术领域

本实用新型涉及通信和导航领域的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，特别适合用于移动卫星通信和导航领域的高性能便携天线的设计。

背景技术

由于四臂螺旋天线具有较宽的波束宽度、良好的前后比、优良的宽角圆极化性能等优点，非常适合应用于卫星通信与导航领域。但是通信和导航天线通常要求双频或多频工作，而普通的四臂螺旋天线是谐振天线，带宽较窄，因此其应用范围较为受限。2006年，YoannLetestu在IEEETransactionsonAntennasandPropagation上发表文章BroadbandFoldedPrintedQuadrifilarHelicalAntenna，提出在四臂螺旋天线上加入寄生臂的设计，可以将其带宽展宽到30%。其结构示意图如图1所示，但是YoannLetestu的设计存在两方面的缺陷：一是天线的工作频带与其直径、高度和环绕圈数等息息相关，只有在某些特殊结构下，天线才具有较宽的工作频带；二是主臂与寄生臂由一小段连接线连接，该连接线细到一定程度，天线才具有较好的驻波，在1.2GHz-1.6GHz的工作频段内，连接线的宽度仅为0.5mm，如果工作频率升高，连接线可能过细导致加工工艺难以实现，或者在使用过程中很容易折断。

YoannLetestu提出的宽带四臂螺旋天线虽然具有以上缺点，仍然非常适合作为通信及导航领域的宽频带宽波束便携终端。但是四臂螺旋天线需要四个输入端口（0°，90°，180°，270°）馈电，普通的馈电网络占用面积大，因此很难实现便携设计。MathieuCaillet等人于2010年在IEEETransactionsonAntennasandPropagation上发表文章ABroadbandFoldedPrintedQuadrifilarHelicalAntennaEmployingaNovelCompactPlanarFeedingCircuit，提出了四臂螺旋天线的小型化馈电网络设计方法，采用孔缝耦合的方法实现180°相移，采用anaren公司的90°混合耦合器实现90°相移。该馈电网络使得宽频带四臂螺旋天线在便携终端的应用成为可能，但是也存在两方面缺陷：一是增加了生产成本；二是难以实现馈电网络和天线的一体化设计。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题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，适用于卫星及导航便携终端，可以在宽频带范围内实现较高的增益，并且圆极化性能好。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：

一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，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。

其中，所述顶部金属片的宽度与中部金属片的宽度的比值大于8。

其中，所述馈电网络包括上层介质板和下层介质板；上层介质板的顶面设有第一微带贴片层，并且上层介质板的底面设有中间地板层；下层介质板的底面设有第二微带贴片层；所述第二微带贴片层上设有第二中心微带线和上下两个90°功分器；上下两个90°功分器相对于第二微带贴片层的中心对称设置；90°功分器为L形环状微带线，并且L形环状微带线的长柄部水平设置；第二中心微带线包括设在第二微带贴片层中心的第二竖直微带线，第二竖直微带线的顶端设有向左上方倾斜延伸的上延展微带线，第二竖直微带线的低端设有向右下方延伸的下延展微带线，并且上下两个延展微带线分别与上下两个L形环状微带线相连接。

其中，所述第一微带贴片层上设有第一中心微带线和位于第一中心微带线周边的四个L型微带线；其中，左右的两个L型微带线相对于第一微带贴片层的中心对称设置，并且左右的两个L型微带线的两个短柄水平且端头相对设置；上下的两个L型微带线相对于第一微带贴片层的中心对称设置，并且上下的两个L型微带线的两个长柄竖直且端头相对设置；第一中心微带线包括设在第一微带贴片层中心的第一竖直微带线，第一竖直微带线的顶端朝向左L型微带线设有依次连接的水平向左上延展微带线、竖直向下延展微带线和水平向左下延展微带线，第一竖直微带线的低端朝向右L型微带线设有水平向右延展微带线；中间地板层的中心设有耦合缝隙；耦合缝隙包括H形耦合缝，并且H形耦合缝上端的两个端头分别相对的设有两个水平延展缝，H形耦合缝下端的两个端头也分别相对的设有两个水平延展缝；第二微带贴片层上设有一字型微带线；一字型微带线水平设置在第二竖直微带线的左侧；第一竖直微带线的中心、耦合缝隙的中心与第二竖直微带线的中心均在同一个竖直方向上。

其中，上L形环状微带线的短柄部竖直向下且设在其长柄部的左侧，下L形环状微带线的短柄部竖直向上且设在其长柄部的右侧；上L形环状微带线的短柄部的端头左侧和其长柄部的中部上侧分别设有第一下输出端口和第二下输出端口，下L形环状微带线的短柄部的端头右侧和其长柄部的中部下侧分别设有第三下输出端口和第四下输出端口；上L型微带线的短柄部水平向左设置且设在其长柄部的顶端，下L型微带线的短柄部水平向右设置且设在其长柄部的底端，左L型微带线的长柄部竖直向上设置且设在其短柄部的左端，右L型微带线的长柄部竖直向下设置且设在其短柄部的右端；左L型微带线的长柄部的端头设有第一上输入端口，上L型微带线的短柄部的端头设有第二上输入端口，右L型微带线的长柄部的端头设有第三上输入端口，下L型微带线的短柄部的端头设有第四上输入端口；第一至第四下输出端口与第一至第四上输入端口分别一一对应的采用探针竖直的穿过中间地板层上相应的圆形缝隙相连接；一字型微带线的左端设有下输入端口，一字型微带线的右端的端口通过探针竖直的穿过中间地板层上相应的圆形缝隙与第一中心微带线的水平向左下延展微带线左端的端口相连接；左L型微带线的短柄部的端头、下L型微带线的长柄部的端头、右L型微带线的短柄部的端头、和上L型微带线的长柄部的端头分别设有第一至第四上输出端口；第一至第四上输出端口分别与四个底部金属片一一对应焊接。

其中，所述中间地板层上的圆形缝隙分别与穿过缝隙的探针形成同轴结构；上下两个L形环状微带线的长柄部的端头各设有一个匹配端口，并且每个匹配端口各装配有一个50欧姆的电阻。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本实用新型的辐射主体通过将主臂上中间段的宽度变窄来改变其电流分布，调节输入阻抗，实现天线设计的灵活性。馈电网络通过孔缝耦合的方法实现180°相移，通过90°电桥实现90°相移，从而实现四个端口（0°，90°，180°，270°）馈电。本实用新型设计灵活，可以在宽频带范围内实现较高的增益，圆极化性能好，结构紧凑，重量轻，易加工，非常适合作为通信或导航领域的便携终端。

本实用新型相对于背景技术的优点和效果是：

1.在背景技术不能实现宽频带工作的情况下，本实用新型的设计仍可在宽频带内具有较好的驻波性能。

2.本实用新型在介质板上印制小型化90°电桥，而背景技术需购买90°混合耦合器实现90°相移，因此本实用新型成本更低。

3.本实用新型可实现天线与馈电网络的一体化设计，因此可以提高天线和馈电网络匹配性能。

附图说明

图1是现有技术中辐射主体的结构示意图；

图2是本实用新型的结构示意图；

图3是本实用新型馈电网络第一微带贴片层的结构示意图；

图4是本实用新型馈电网络第二微带贴片层的结构示意图；

图5是本实用新型馈电网络中间地板层的结构示意图；

图6是本实用新型与现有技术的增益对比的仿真曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图2所示，本实用新型为一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，包括辐射主体和馈电网络；其中，辐射主体由印刷在柔性介质板1-1上的四个螺旋臂组成；每个螺旋臂均由一条主臂1-2和一条寄生臂1-3组成，并且每个螺旋臂中主臂与寄生臂的顶部通过金属片连接；寄生臂1-3为底端接地的细长金属片；每个主臂1-2均由依次连接的顶部金属片1-2-1、中部金属片1-2-2和底部金属片1-2-3组成；其中，底部金属片1-2-3和顶部金属片1-2-1的宽度相同且均比中部金属片1-2-2宽，并且顶部金属片1-2-1的宽度与中部金属片1-2-2的宽度的比值大于8。馈电网络包括上层介质板3和下层介质板5；上层介质板3的顶面设有第一微带贴片层2，并且上层介质板3的底面设有中间地板层4；下层介质板5的顶面腐蚀掉，并且下层介质板5的底面设有第二微带贴片层6。

柔性介质板1-1的介电常数为2.2，厚度为0.127mm，将柔性介质板1-1绕成圆柱状来实现四臂螺旋天线的结构。馈电网络的上层介质板3和下层介质板5均采用高介电常数的介质板，以保证馈电网络的小型化设计。

如图3所示，本实用新型的第一微带贴片层2上设有第一中心微带线2-2和位于第一中心微带线2-2周边的四个L型微带线2-1；其中，左右的两个L型微带线2-1相对于第一微带贴片层2的中心对称设置，并且左右的两个L型微带线2-1的两个短柄水平且端头相对设置；上下的两个L型微带线2-1相对于第一微带贴片层2的中心对称设置，并且上下的两个L型微带线2-1的两个长柄竖直且端头相对设置；第一中心微带线2-2包括设在第一微带贴片层2中心的第一竖直微带线，第一竖直微带线的顶端朝向左L型微带线2-1设有依次连接的水平向左上延展微带线、竖直向下延展微带线和水平向左下延展微带线，第一竖直微带线的低端朝向右L型微带线2-1设有水平向右延展微带线；上L型微带线2-1的短柄部水平向左设置且设在其长柄部的顶端，下L型微带线2-1的短柄部水平向右设置且设在其长柄部的底端，左L型微带线2-1的长柄部竖直向上设置且设在其短柄部的左端，右L型微带线2-1的长柄部竖直向下设置且设在其短柄部的右端；左L型微带线2-1的长柄部的端头设有第一上输入端口2-3，上L型微带线2-1的短柄部的端头设有第二上输入端口2-4，右L型微带线2-1的长柄部的端头设有第三上输入端口2-5，下L型微带线2-1的短柄部的端头设有第四上输入端口2-6；左L型微带线2-1的短柄部的端头、下L型微带线2-1的长柄部的端头、右L型微带线2-1的短柄部的端头、和上L型微带线2-1的长柄部的端头分别设有第一至第四上输出端口2-7至2-10；第一至第四上输出端口2-7至2-10分别与四个底部金属片1-2-3一一对应焊接。

如图4所示，本实用新型的中间地板层4的中心设有耦合缝隙4-1；耦合缝隙4-1包括H形耦合缝，并且H形耦合缝上端的两个端头分别相对的设有两个水平延展缝，H形耦合缝下端的两个端头也分别相对的设有两个水平延展缝。

如图5所示，本实用新型的第二微带贴片层6上设有一字型微带线6-2、第二中心微带线6-3和上下两个90°功分器6-1，并且上下两个90°功分器6-1相对于第二微带贴片层6的中心对称设置；90°功分器6-1为L形环状微带线，并且L形环状微带线的长柄部水平设置；第二中心微带线6-3包括设在第二微带贴片层6中心的第二竖直微带线，第二竖直微带线的顶端设有向左上方倾斜延伸的上延展微带线，第二竖直微带线的低端设有向右下方延伸的下延展微带线，并且上下两个延展微带线分别与上下两个L形环状微带线相连接；一字型微带线6-2水平设置在第二竖直微带线的左侧；一字型微带线6-2的左端设有下输入端口6-9，一字型微带线6-2的右端的端口通过探针竖直的穿过中间地板层4上相应的圆形缝隙4-2与第一中心微带线2-2的水平向左下延展微带线左端的端口2-11相连；上L形环状微带线的短柄部竖直向下且设在其长柄部的左侧，下L形环状微带线的短柄部竖直向上且设在其长柄部的右侧；上L形环状微带线的短柄部的端头左侧和其长柄部的中部上侧分别设有第一下输出端口6-4和第二下输出端口6-5，下L形环状微带线的短柄部的端头右侧和其长柄部的中部下侧分别设有第三下输出端口6-6和第四下输出端口6-7；第一至第四下输出端口6-4至6-7与第一至第四上输入端口2-3至2-6分别一一对应的采用探针竖直的穿过中间地板层4上相应的圆形缝隙4-2相连接。中间地板层4上的圆形缝隙4-2分别与穿过缝隙的探针形成同轴结构；上下两个L形环状微带线的长柄部的端头各设有一个匹配端口6-8，并且每个匹配端口6-8各装配有一个50欧姆的电阻。

图3至图5中，第一竖直微带线的中心、耦合缝隙4-1的中心与第二竖直微带线的中心均在同一个竖直方向上。

本实用新型的辐射主体的螺旋臂由较宽的四条主臂和较窄的四条寄生臂组成，馈电网络由两层介质板组成。四臂螺旋天线通过加入寄生臂来展宽工作带宽。本实用新型首先对YoannLetestu的结构进行了改进，将宽螺旋臂上某段宽度变窄，形成一段较细的螺旋臂，使得天线能够在宽频带工作，并可通过调节细螺旋臂的位置和尺寸，进一步改善天线与馈电网络的匹配，提高天线增益。另外，本实用新型采用一种L形的90°电桥来代替MathieuCaillet的90°混合耦合器，除了能够实现小型化设计以外，还具有两方面优点：一是只需在下层贴片印刷即可，降低了成本；二是可以采用仿真软件与天线进行一体化设计，提高天线与馈电网络的匹配性能，从而提高增益。

如图6所示为在结构尺寸相同的情况下，本实用新型与图1中现有技术的增益对比仿真曲线图，图中实线是现有技术的实际增益，虚线是本实用新型的实际增益。由图6可以看出，与现有技术相比，本实用新型的实际增益提高了将近2dB，由此可以看出本实用新型的优越性。

Claims (6)

1.一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，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（1-1）上的四个螺旋臂组成；每个螺旋臂均由一条主臂（1-2）和一条寄生臂（1-3）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；其特征在于：每个主臂（1-2）均由依次连接的顶部金属片（1-2-1）、中部金属片（1-2-2）和底部金属片（1-2-3）组成；其中，底部金属片（1-2-3）和顶部金属片（1-2-1）的宽度相同且均比中部金属片（1-2-2）宽。

2.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，其特征在于：所述顶部金属片（1-2-1）的宽度与中部金属片（1-2-2）的宽度的比值大于8。

3.根据权利要求1所述的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，其特征在于：所述馈电网络包括上层介质板（3）和下层介质板（5）；上层介质板（3）的顶面设有第一微带贴片层（2），并且上层介质板（3）的底面设有中间地板层（4）；下层介质板（5）的底面设有第二微带贴片层（6）；

所述第二微带贴片层（6）上设有第二中心微带线（6-3）和上下两个90°功分器（6-1）；上下两个90°功分器（6-1）相对于第二微带贴片层（6）的中心对称设置；90°功分器（6-1）为L形环状微带线，并且L形环状微带线的长柄部水平设置；第二中心微带线（6-3）包括设在第二微带贴片层（6）中心的第二竖直微带线，第二竖直微带线的顶端设有向左上方倾斜延伸的上延展微带线，第二竖直微带线的低端设有向右下方延伸的下延展微带线，并且上下两个延展微带线分别与上下两个L形环状微带线相连接。

4.根据权利要求3所述的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，其特征在于：所述第一微带贴片层（2）上设有第一中心微带线（2-2）和位于第一中心微带线（2-2）周边的四个L型微带线（2-1）；其中，左右的两个L型微带线（2-1）相对于第一微带贴片层（2）的中心对称设置，并且左右的两个L型微带线（2-1）的两个短柄水平且端头相对设置；上下的两个L型微带线（2-1）相对于第一微带贴片层（2）的中心对称设置，并且上下的两个L型微带线（2-1）的两个长柄竖直且端头相对设置；第一中心微带线（2-2）包括设在第一微带贴片层（2）中心的第一竖直微带线，第一竖直微带线的顶端朝向左L型微带线（2-1）设有依次连接的水平向左上延展微带线、竖直向下延展微带线和水平向左下延展微带线，第一竖直微带线的低端朝向右L型微带线（2-1）设有水平向右延展微带线；

中间地板层（4）的中心设有耦合缝隙（4-1）；耦合缝隙（4-1）包括H形耦合缝，并且H形耦合缝上端的两个端头分别相对的设有两个水平延展缝，H形耦合缝下端的两个端头也分别相对的设有两个水平延展缝；第二微带贴片层（6）上设有一字型微带线（6-2）；一字型微带线（6-2）水平设置在第二竖直微带线的左侧；第一竖直微带线的中心、耦合缝隙（4-1）的中心与第二竖直微带线的中心均在同一个竖直方向上。

5.根据权利要求4所述的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，其特征在于：上L形环状微带线的短柄部竖直向下且设在其长柄部的左侧，下L形环状微带线的短柄部竖直向上且设在其长柄部的右侧；上L形环状微带线的短柄部的端头左侧和其长柄部的中部上侧分别设有第一下输出端口（6-4）和第二下输出端口（6-5），下L形环状微带线的短柄部的端头右侧和其长柄部的中部下侧分别设有第三下输出端口（6-6）和第四下输出端口（6-7）；

上L型微带线（2-1）的短柄部水平向左设置且设在其长柄部的顶端，下L型微带线（2-1）的短柄部水平向右设置且设在其长柄部的底端，左L型微带线（2-1）的长柄部竖直向上设置且设在其短柄部的左端，右L型微带线（2-1）的长柄部竖直向下设置且设在其短柄部的右端；左L型微带线（2-1）的长柄部的端头设有第一上输入端口（2-3），上L型微带线（2-1）的短柄部的端头设有第二上输入端口（2-4），右L型微带线（2-1）的长柄部的端头设有第三上输入端口（2-5），下L型微带线（2-1）的短柄部的端头设有第四上输入端口（2-6）；

第一至第四下输出端口（6-4至6-7）与第一至第四上输入端口（2-3至2-6）分别一一对应的采用探针竖直的穿过中间地板层（4）上相应的圆形缝隙（4-2）相连接；

一字型微带线（6-2）的左端设有下输入端口（6-9），一字型微带线（6-2）的右端的端口通过探针竖直的穿过中间地板层（4）上相应的圆形缝隙（4-2）与第一中心微带线（2-2）的水平向左下延展微带线左端的端口（2-11）相连接；

左L型微带线（2-1）的短柄部的端头、下L型微带线（2-1）的长柄部的端头、右L型微带线（2-1）的短柄部的端头、和上L型微带线（2-1）的长柄部的端头分别设有第一至第四上输出端口（2-7至2-10）；第一至第四上输出端口（2-7至2-10）分别与四个底部金属片（1-2-3）一一对应焊接。

6.根据权利要求5所述的一种宽带宽波束圆极化四臂螺旋天线，其特征在于：所述中间地板层（4）上的圆形缝隙（4-2）分别与穿过缝隙的探针形成同轴结构；上下两个L形环状微带线的长柄部的端头各设有一个匹配端口（6-8），并且每个匹配端口（6-8）各装配有一个50欧姆的电阻。