一种小型化双频四臂螺旋天线的制作方法

1.本技术涉及无线通信天线技术领域，具体涉及一种小型化双频四臂螺旋天线。


背景技术：

2.随着卫星通信和导航获得越来越多的应用，其对应的地面终端产品也越来越多。地面终端产品依赖于其天线进行卫星通信和导航信号的收发，但是目前大多数地面接收终端产品的天线都较大，难以满足低轨卫星手持终端对卫星天线的小直径和低高度的要求。除此之外，随着卫星通信和导航技术的发展，越来越多的卫星系统不只是工作在单一的频段，更多工作在两个频段。如何在实现双频工作特性的基础上，保持手持卫星终端天线小体积，是一个新的挑战。
3.近年来，四臂螺旋天线在卫星通信和导航领域的使用越来越广泛，其心形方向图和宽波束圆极化覆盖特性使其广泛应用于军品和民品的卫星终端。但是四臂螺旋作为谐振式天线，单个四臂螺旋只能在一个频段取得最优效果。四臂螺旋天线要实现双频工作特性，现有技术有以下方法：
4.1.两个四臂螺旋天线上下堆叠。此时天线轴向高度较长，同时处于下侧的天线会受到上侧天线的影响，增益和低仰角相位中心会发生变化。
5.2.两个四臂螺旋天线内外嵌套。此时天线直径相对较大，同时内外天线的上半球方向图特性会相互影响；
6.从上述方案可以看出，以往的双频四臂螺旋天线方案在满足低轨卫星手持终端天线小直径，低高度，等需求上仍然有不足。


技术实现要素：

7.本技术所要解决的技术问题是现有的双频四臂螺旋天线的直径大，两个四臂螺旋天线之间相互影响大，目的在于提供一种小型化双频四臂螺旋天线，通过将四臂螺旋天线的电压最大点截断，并将天线的馈电臂与耦合臂进行交错重叠排布，降低螺旋臂的整体长度。
8.本技术通过下述技术方案实现：
9.一种小型化双频四臂螺旋天线，包括辐射臂介质基板、天线馈电网络和螺旋天线组件：
10.所述螺旋天线组件绕设于辐射臂介质基板表面；
11.所述天线馈电网络设置在辐射臂介质基板端部；
12.所述螺旋天线组件包括四组结构相同的螺旋臂天线：
13.所述螺旋臂天线包括通过把螺旋臂在电压最大点截断之后形成的天线馈电臂和天线耦合臂，所述天线馈电臂和天线耦合臂电磁耦合连接，所述天线馈电臂包括第一馈电臂和第二馈电臂，所述第一馈电臂和第二馈电臂之间设置有lc并联谐振电路。
14.本技术螺旋臂天线包括通过把螺旋臂在电压最大点截断之后形成的天线馈电臂
和天线耦合臂，天线馈电臂和天线耦合臂电磁耦合连接，利用电磁耦合的方式降低螺旋臂天线的高度实现双频四臂螺旋天线的小型化，天线馈电臂包括第一馈电臂和第二馈电臂，第一馈电臂和第二馈电臂之间设置有lc并联谐振电路或二极管电路保证实现双频。通过lc并联谐振电路的加载和多段电磁耦合四臂螺旋相结合，在保持天线性能基本不变的情况下，满足手持卫星终端对卫星通信天线的小型化要求。
15.进一步的，所述螺旋臂天线包括四分之三波长模式和二分之一波长模式。可以应用于多场景。
16.进一步的，所述二分之一波长模式的螺旋臂天线远离天线馈电网络的一端设置有短路环，所述短路环用于实现二分之一波长模式的螺旋天线组件的末端短路。
17.进一步的，所述螺旋臂天线工作频段包括低频和高频：
18.所述低频和高频两个工作频段的中间频段为低频的中心频点与高频的中心频点的均值。
19.进一步的，所述低频的中心频点和高频的中心频点的中间频段对应波长为：低频的中心频点对应波长与高频的中心频点对应波长的均值。
20.进一步的，所述四分之三波长模式的天线耦合臂的长度为低频和高频两个工作频段的中间频段对应波长的二分之一；
21.所述二分之一波长模式的天线耦合臂的长度为低频和高频两个工作频段的中间频段对应波长的四分之一。
22.进一步的，所述天线馈电臂中，四分之三波长模式和二分之一波长模式的天线馈电臂的长度相同：
23.所述第一馈电臂加第二馈电臂的长度为低频的中心频点对应波长的四分之一；
24.所述第一馈电臂的长度为高频的中心频点对应波长的四分之一。
25.进一步的，所述天线馈电臂第二馈电臂的端部与馈电网络连接。
26.进一步的，所述辐射臂介质基板为空心圆柱型薄介质板。
27.进一步的，所述天线馈电臂与天线耦合臂在水平方向上重叠，所述天线馈电臂与天线耦合臂交错排布。
28.本技术与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
29.通过将螺旋天线组件天线的电压最大点截断，并将天线的馈电臂与耦合臂进行交错重叠排布，有效降低了螺旋臂的整体长度，长度的降低量与天线馈电臂和天线耦合臂的交错重叠长度有关。螺旋臂整体长度的降低，进而使得天线整体高度降低，实现了小型化。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：
31.图1为本技术实施例中的以往四分之三模式双频四臂螺旋天线设计平面展开图；
32.图2为本技术实施例中的四分之三模式小型化双频四臂螺旋天线设计平面展开图；
33.图3为本技术实施例中的四分之三模式小型化双频四臂螺旋天线设计立体图；
34.图4为本技术实施例中的以往二分之一模式单频四臂螺旋天线设计平面展开示意图；
35.图5为本技术实施例中的二分之一模式小型化双频四臂螺旋天线设计平面展开图；
36.图6为本技术实施例中的二分之一模式小型化双频四臂螺旋天线设计立体图；
37.图7为本技术实施例中的小型化双频四臂螺旋天线反射系数示意图。
38.附图中标记及对应的零部件名称：
39.100、天线馈电网络；200、辐射臂介质基板；300、螺旋臂天线；310、电压最大点、320、天线馈电臂；330、天线耦合臂；321、第一馈电臂；322、第二馈电臂；333、lc并联谐振电路；340、短路环。
具体实施方式
40.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本技术作进一步的详细说明，本技术的示意性实施方式及其说明仅用于解释本技术，并不作为对本技术的限定。
41.实施例1
42.如图3和图6所示，本技术实施例提供一种小型化双频四臂螺旋天线，包括辐射臂介质基板100、天线馈电网络200和螺旋天线组件：
43.螺旋天线组件绕设于辐射臂介质基板100表面；
44.天线馈电网络200设置在辐射臂介质基板100端部；
45.螺旋天线组件包括四组结构相同的螺旋臂天线300：
46.螺旋臂天线300包括通过把螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330，天线馈电臂320和天线耦合臂330电磁耦合连接，天线馈电臂320包括第一馈电臂321和第二馈电臂322，第一馈电臂321和第二馈电臂322之间设置有lc并联谐振电路333。
47.螺旋臂天线300包括通过把螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330，天线馈电臂320和天线耦合臂330电磁耦合连接，利用电磁耦合的方式降低螺旋臂天线300的高度实现双频四臂螺旋天线的小型化，天线馈电臂320包括第一馈电臂321和第二馈电臂322，第一馈电臂321和第二馈电臂322之间设置有lc并联谐振电路333。通过lc并联谐振电路333的加载和多段电磁耦合四臂螺旋相结合，在保持天线性能基本不变的情况下，满足手持卫星终端对卫星通信天线的小型化要求。
48.在一些可能的实施例中，第一馈电臂321和第二馈电臂322之间设置的lc并联谐振电路333可以替换为二极管电路，lc并联谐振电路333和二极管电路是同等重要的双频实现方式。
49.采用lc并联谐振电路333具体实现方式相对简单，在单频四分之三模式螺旋天线组件天线辐射臂上串联加载lc并联谐振电路333即可，lc谐振电路谐振频率在高频附近，螺旋天线组件工作在低频，lc并联谐振电路333以下部分工作在高频，实现原理为：
50.天线工作在低频时，lc谐振电路相当于串电感；
51.天线工作在高频时，处于lc谐振电路谐振频率，lc谐振电路相当于断开，由此实现了天线的双频工作特性。
52.采用二极管电路通过射频信号和直流信号的隔断来实现天线的双频工作特征，其实现方式为在单频四分之三模式螺旋天线组件天线辐射臂上串联加载二极管电路，设置一路电压控制信号，当高电压导通二极管的时候，二极管两边的辐射体连通，天线工作在低频，当低电压二极管关闭的时候，两个辐射体断开，二极管工作在高频。即射频信号和直流电压控制信号走一条射频线，馈电网络和辐射体在相应位置采用对应的隔直通交电容和隔交通直电感来实现天线的双频工作特征。
53.如图1所示，提供一种四分之三模式双频四臂螺旋天线：
54.图中虚线表示电流分布幅度曲线，获取四分之三波长模式螺旋天线组件天线存在电压最大点310，电压最大点310对应电流为零的点，通过把螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330，减小天线的轴向高度，由此得到小型化的四分之三模式双频螺旋天线组件天线，如图2和图3所示，通过螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330电磁耦合连接，天线馈电臂320包括第一馈电臂321和第二馈电臂322，第一馈电臂321和第二馈电臂322之间设置有lc并联谐振电路333。
55.在一些可能的实施例中，螺旋臂天线300工作频段包括低频和高频，低频和高频两个工作频段的中间频段为低频的中心频点与高频的中心频点的均值，低频和高频两个工作频段的中间频段计算公式为：
[0056][0057]
其中，f1为低频的中心频点，f2为高频的中心频点，f0为低频和高频两个工作频段的中间频段。
[0058]
在一些可能的实施例中，低频的中心频点和高频的中心频点的中间频段对应波长为：低频的中心频点对应波长与高频的中心频点对应波长的均值，低频的中心频点和高频的中心频点的中间频段对应波长的计算公式为：
[0059][0060]
其中，λ1为低频的中心频点对应波长，λ2为高频的中心频点对应波长，λ0为低频和高频两个工作频段的中间频段对应波长。
[0061]
在一些可能的实施例中，低频的中心频点对应波长、高频的中心频点的对应波长和低频的中心频点和高频的中心频点的中间频段对应波长可以是自由空间波长，也可以是具体工作环境的介质波长。
[0062]
在一些可能的实施例中，所述四分之三波长模式的天线耦合臂330的长度为低频和高频两个工作频段的中间频段对应波长的二分之一，即λ0/2，第一馈电臂321加第二馈电臂322的长度为低频的中心频点对应波长的四分之一，即λ1/4，第一馈电臂321的长度为高频的中心频点对应波长的四分之一,即λ2/4。
[0063]
在一些可能的实施例中，天线馈电臂320第二馈电臂322的端部与馈电网络连接。辐射臂介质基板100为空心圆柱型薄介质板。天线馈电臂320与天线耦合臂330在水平方向上重叠，天线馈电臂320与天线耦合臂330交错排布。
[0064]
通过将螺旋天线组件天线的电压最大点310截断，并将天线的馈电臂与耦合臂进行交错重叠排布，有效降低了螺旋臂的整体长度。长度的降低量与天线馈电臂320和天线耦合臂330的交错重叠长度有关。螺旋臂整体长度的降低，进而使得天线整体高度降低，实现了小型化。
[0065]
在一些可能的实施例中，天线只有四条辐射臂和一个短路环340，短路环340用于实现二分之一波长模式螺旋天线组件天线的末端短路，其中具体短路实现方式可以多样化，只要实现天线末端短路即可。
[0066]
如图4所示，二分之一波长模式螺旋天线组件天线存在电压最大点310，电压最大点310对应电流为零的点，通过把螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330，减小天线的轴向高度，由此得到小型化的二分之一波长模式双频螺旋天线组件天线，如图5和图6所示，通过螺旋臂在电压最大点310截断之后形成的天线馈电臂320和天线耦合臂330电磁耦合连接，天线馈电臂320包括第一馈电臂321和第二馈电臂322，第一馈电臂321和第二馈电臂322之间设置有lc并联谐振电路333。
[0067]
在一些可能的实施例中，二分之一波长模式的天线耦合臂330的长度为低频和高频两个工作频段的中间频段对应波长的四分之一，即λ0/4，第一馈电臂321加第二馈电臂322的长度为低频的中心频点对应波长的四分之一，即λ1/4，第一馈电臂321的长度为高频的中心频点对应波长的四分之一,即λ2/4。
[0068]
如图7所示，为小型化双频四臂螺旋天线反射系数示意图。需要注意的是，如果采用lc并联谐振电路333实现双频，则两个频点的反射系数曲线可以同时存在；如果采用二极管压控切换的方式，高电压对应低频的反射系数曲线，低电压对应高频的反射系数曲线。
[0069]
本技术中的天线馈电网络200，指能够提供四路等幅且具有90
°
步进相位差的馈电网络。包括但不限于四相位芯片、3db电桥组合、3db电桥和lc电路组合、威尔金森或t型功分器组合等，只要能提供上述四路等幅且具有90
°
步进相位差的馈电即可，并不因为馈电网络的具体形式不同限制本技术方案。
[0070]
本技术中的四分之三波长模式和二分之一波长模式的螺旋天线组件，并不限于实施例中提到的圆柱形的实现形式，也可以是长方体型、球形、半球形或圆锥形。辐射臂介质基板100不限于介质基板走线、金属走线或金属压铸条形式，辐射臂几何形式不限于均匀走线，可以是正弦型弯曲、城墙折线型弯曲或渐变线。在天线附近所做的各种介质加载也不构成对本技术的限制。
[0071]
以上所述的具体实施方式，对本技术的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本技术的具体实施方式而已，并不用于限定本技术的保护范围，凡在本技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。