一种多层四臂螺旋天线系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多层四臂螺旋天线系统，属于微波技术与天线技术领域。本发明专利技术将传统形式的四臂螺旋的三维结构转化为准二维结构，四臂螺旋天线和串联式馈电网络通过带状线转同轴的结构集成在一起，由多层PCB板工艺加工而成。从而大大降低了传统四臂螺旋天线的高度和体积。本发明专利技术天线轴向尺寸较传统四臂螺旋天线缩小了91.5％，使用串联型馈电网络保证了馈电部分和天线部分的在尺寸以及形式上的高度集成，保证了天馈系统的一体化。有益效果包天线成品尺寸小剖面低，可靠性高，具有宽波束圆极化和低仰角增益高等特点。适用于北斗手持设备和其他要求天线具有宽波束圆极化及小型化性能的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种多层四臂螺旋天线系统，属于微波技术与天线

技术介绍
随着移动卫星通信技术和导航系统的迅速发展，成熟的定位和导航技术已经深入到各个领域，天线作为无线通信中关键装置之一决定着卫星导航系统是否能够正常发挥其作用。北斗手持定位设备要求天线具有宽波束圆极化和小型化等特点，常用的天线形式有多层微带天线、高介电常数陶瓷天线和四臂螺旋天线等。目前，困扰北斗手持设备发展的重要难题是天线尺寸过大，从而阻碍了手持机的小型化趋势。采用多层微带天线的形式的卫星导航天线十分常见。伦敦大学玛丽皇后学院在2012年设计了单个探针馈电的三频GPS层叠式微带天线(0.P.Falade, M.U.Rehman, Y.Gaoj X.D.Chen, and C.G.Parinij “Single Feed Stacked Patch Circular PolarizedAntenna for Triple Band GPS Receivers，，，IEEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, Vol.60，N0.10，pp.4479-4484，Oct.2012)，天线的低仰角的极化增益和轴比取得了理想的效果。但天线的三维尺寸为80mmX80mmX4.8mm，水平维尺寸偏大，限制了其在手持机中的应用。四臂螺旋天线以及变形形式的天线也是各种卫星导航天线尤其是手持设备上常用的天线形式。四臂螺旋天线具有心型的方向图、良好的前后比及优异的宽波束圆极化特性，十分适合作为卫星定位系统接收天线。但传统四臂螺旋天线法向尺寸过大，不能够满足小型化要求。为了解决小型化的问题，研宄人员做了大量研宄并提出了几种有效的方法:2001年Leisten提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线(0.Leisten, J.C.Vardaxoglou,P.McEvoy, R.Seager and A.Wingfield, “Miniaturiseddielectrically-loaded quadr i f iIar antenna for global posit1ningsystem(GPS)” , IEEE Electronics Letters, Vol.37, N0.22, pp.1321-1322，Oct.2001)，该天线采用ε 36的陶瓷填充，天线体积缩小到10.0mmX 17.8mm(底面直径X高)，为未加载介质时天线体积的1/6.2002年Chew提出了一种新型四臂螺旋天线(D.K.C.Chew andS.R.Saunders, “Meander line technique for size reduct 1n ofquadrif i Iar helix antenna，，，IEEE Antennas And Wireless Propagat1nLetters，Vol.1, pp.109-111，2002.)，该天线有四个弯折的螺旋臂，在固定工作频率的情况向，缩短了螺旋臂的延伸长度。从而实现了天线小型化，天线轴向尺寸与传统四臂螺旋天线相比减小了 53%。然而，以上两种天线形式都存在带宽过窄的问题，不能满足北斗定位系统的需求。2011年Rabemanantsoa利用曲流印刷技术实现了四臂螺旋天线的小型化(J.Rabemanantsoa and A.Sharaiha, “Size reduced mult1-band printed quadrifiIarhelical antenna，，，IEEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, Vol.59, N0.9, pp.3138-3143，Sept.2011)。通过将螺旋臂弯折回旋，实现了轴向尺寸减小了 43%。通过调整螺旋臂间的耦合，改善了天线的匹配。然而以上几种形式的四臂螺旋天线仍是典型的三维结构，因此轴向的尺寸很难进一步缩小。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术尺寸大的缺点，提出了一种多层四臂螺旋天线系统，将传统形式的四臂螺旋的三维结构转化为准二维结构，从而大大降低了传统四臂螺旋天线的轴向高度和体积，并实现宽波束圆极化以及高的低仰角增益。多层四臂螺旋天线系统包括一个多层四臂螺旋天线和一个串联式带状线馈电网络。多层四臂螺旋天线和串联式带状线馈电网络通过金属过孔集成在一起，整体结构由多层PCB板工艺加工而成。多层四臂螺旋天线通过多层PCB板加工制成，单层PCB板上表面制作四段水平弧线导带，多层PCB板上对应的水平弧线导带形成四臂螺旋天线的一个螺旋臂。位于同一层PCB板上的四段弧线导带按圆形均匀对称分布，圆心在天线轴线上。每层PCB板上均印刷水平弧线导带，或者部分PCB板上印刷水平弧线导带，中间以没有制作水平弧线导带的PCB板隔开。但多层PCB板的最顶层和最底层一定印制水平弧线导带。所有的水平弧线导带长度、宽度和弧线角度均相等，弧线角度为θ (θ<90° )。相邻层水平弧线导带沿天线轴线旋转Θ，相邻层对应同一螺旋臂的水平弧线导带通过垂直于水平面的金属过孔首尾相连，即下层PCB板上水平弧线导带的尾端通过金属过孔与其上层PCB板对应的水平弧线导带的首端相连。通过这种方法将传统四臂螺旋天线的三维结构转化为准二维结构，从而压缩天线轴向尺寸。串联式带状线馈电网络位于多层四臂螺旋天线的下方，一共有五个端口，五个端口以串联形式连接。其中四个端口旋转对称，为串联式带状线馈电网络的输出端口，分别和多层四臂螺旋天线最底层的四段水平弧线导带的首端通过金属过孔相连接。剩余的一个端口为串联式带状线馈电网络的输入端口，采用同轴线转带状线方式馈电，端口位置不限。串联式带状线馈电网络利用各个端口不同的线宽实现四级功分，把从馈电网络输入端口输入的能量在经过第一个输出端口时按1:3分配，在经过第二个输出端口时按1:2分配，在第三个输出端口时按1:1分配，这样旋转对称的四个端口得到等功率的馈电。同时相邻两个输出端口之间带状线电长度为四分之一个导波波长，因此实现四个端口相位两两相差90°。有益效果本专利技术是多层四臂螺旋天线，将传统四臂螺旋天线的三维结构转化为准二维结构，轴向尺寸较传统四臂螺旋天线缩小了 91.5%。使用串联型馈电网络保证了馈电部分和天线部分的在尺寸以及形式上的高度集成，保证了天馈系统的一体化。有益效果包天线成品尺寸小剖面低，可靠性高，具有宽波束圆极化和低仰角增益高等特点。适用于北斗手持设备和其他要求天线具有宽波束圆极化及小型化性能的应用。【附图说明】图1是本专利技术的多层四臂螺旋天线结构示意图当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层四臂螺旋天线系统，其特征在于：包括一个多层四臂螺旋天线和一个串联式带状线馈电网络；多层四臂螺旋天线和串联式带状线馈电网络通过金属过孔集成在一起；多层四臂螺旋天线通过多层PCB板加工制成，单层PCB板上表面制作四段水平弧线导带，多层PCB板上对应的水平弧线导带形成四臂螺旋天线的一个螺旋臂；位于同一层PCB板上的四段弧线导带按圆形均匀对称分布，圆心在天线轴线上；多层PCB板的最顶层和最底层印制水平弧线导带；所有的水平弧线导带长度、宽度和弧线角度均相等，弧线角度为θ；相邻层水平弧线导带沿天线轴线旋转θ，相邻层对应同一螺旋臂的水平弧线导带通过垂直于水平面的金属过孔首尾相连；串联式带状线馈电网络位于多层四臂螺旋天线的下方，一共有五个端口，五个端口以串联形式连接；其中四个端口旋转对称，为串联式带状线馈电网络的输出端口，分别和多层四臂螺旋天线最底层的四段水平弧线导带的首端通过金属过孔相连接；剩余的一个端口为串联式带状线馈电网络的输入端口，采用同轴线转带状线方式馈电，端口位置不限；串联式带状线馈电网络利用各个端口不同的线宽实现四级功分，把从馈电网络输入端口输入的能量在经过第一个输出端口时按1:3分配，在经过第二个输出端口时按1:2分配，在第三个输出端口时按1:1分配，旋转对称的四个端口得到等功率的馈电；同时相邻两个输出端口之间带状线电长度为四分之一个导波波长，四个端口相位两两相差90°。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，刘埇，徐文生，郭国强，吕昕，张萌，段晓超，倪鸿宾，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11