一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线制造技术

一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，应用于气体放电与无线通信应用领域。结合阻抗匹配、阻抗转换、拉杆天线及可重构天线等原理，通过调节天线振子和可调式巴伦能够动态改变天线的频带特性、辐射特性；通过施加天线顶负载，改变天线辐射特性，增加天线低仰角性能指标；通过旋转中间层，改变天线极化特性；通过施加空心介质，来减小天线尺寸。使得天线具有非常好的可重构性和船体适应性，适用于INMARSAT卫星系统船载天线和北斗船载天线。

【技术实现步骤摘要】
一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线
：本专利技术涉及一款具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，属于无线通信技术及交通信息工程与

技术介绍
：随着科技的进步，我国海上应急搜救能力大幅度提高，但总体上我国的水上交通安全监控水平、海上搜救成功率与发达国家相比还有明显的差距。船载无线通信设备天线作为无线通信中的关键装置之一，决定着船载卫星导航系统是否能够正常发挥其作用。北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是继美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟的伽利略系统(GALILEO)之后我国研制的成熟的卫星导航系统。北斗系统的研究起始于2002年，期间经历了十多年的研究历程，跨越了北斗一代和北斗二代两个卫星导航定位系统的研发时期，目的是提供定位、导航和授时服务2012年12月27日，北斗卫星导航系统正式提供亚太区域服务。北斗系统的建立与应用，对国防及海事通信等诸多领域有积极而重要的影响。随着我国北斗卫星导航系统的发展，基于北斗卫星导航系统的应用已经成为一个新兴产业，并已列入我国“十二五”和“十三五”发展战略中。然而，常规车载北斗天线用于船上时，存在许多问题，其中，尤为突出的是：船体绝大多数组成部分材质为金属，而卫星导航通信频段主要处在微波波段，金属对微波波段电磁波存在较强的反射作用。因此，势必会对天线产生扰动，改变天线的电流分布，进而改变天线原有阻抗、辐射和极化特性。常规车载北斗天线已经不能满足船舶适应性需求，在解决方法上，除了合理安排天线船体搭载之外，还要在天线本身上寻求解决途径。四臂螺旋天线具有不需要参考地、结构紧凑和宽波束等等特性，可以实现大仰角通信，可作为北斗系统的主打天线。但是，在天线的船体适应性需要进一步加强。可重构天线是指通过调节天线某一单元的参数，实现天线性能可重构。通过结合四臂螺旋天线与可重构天线原理，研究可重构式四臂螺旋天线，通过动态调节天线体及巴伦参数，可改变天线的频带、极化、辐射等特性，提高可重构四臂螺旋天线船体适应能力，可作为船载INMARSAT天线与北斗天线，进而提高北斗系统定位精度，提升海上定位及搜救能力。
技术实现思路
：本专利技术针对现有车载北斗系统天线难以适应金属船体的问题，提供一种方向图、阻抗、极化与频带特性可快速重构的具有船体结构高适应性的船载北斗及INMARSAT卫星船用系统四臂螺旋天线。该天线结合拉杆天线原理、巴伦原理与极化原理，可动态调节螺旋臂天线的长度、巴伦结构及天线的螺旋天线旋向，这样可以快速改变天线工作频段、轴比带宽、极化方向、辐射特性等关键参量，既避免设计匹配电路导致天线体积增加，也增强了天线的船体适应性。本专利技术的设计方案为：一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，该可重构式四臂螺旋天线主要包含四臂螺旋天线体、可调式巴伦、阻抗变换内导体及空心介质等。其中，四臂螺旋天线体由柔性PCB板、螺旋臂条、寄生臂条、连接螺丝、天线中间层、天线顶负载等。柔性PCB板厚度约为0.1mm，PCB板上刻有四条螺旋臂条，四条螺旋臂条可分成长度不一的两组，一组长度超出通信频段1/8个波长，另一组长度小于通信频段1/8个波长，相邻天线长度不相等。天线寄生臂条是附着在天线每个振子臂之上的，通过连接螺丝来调节寄生臂条在其附着的螺旋臂条的相应位置，进而调节四臂螺旋天线振子总长度。天线中间层中，引出四个连接带条，相邻两个金属振子通过中间层连接在一起，与同轴线内导体相连接，另外两个振子连接在一起与同轴线外导体相连接，两组相对的振子彼此相位相差180°，同时由于每组天线振子相差90°，这样就实现了天线圆极化，同时可旋转中间层，并利用连接螺丝将其固定，可实现左旋、右旋圆极化之间的转换；天线顶负载也是由柔性PCB材质制成，厚度为0.5mm，上面刻有金属铜质带条环路，通过对天线电流的进一步扰动，增加天线低仰角性能指标，满足天线宽波束和适应船体摇摆特性。可调式巴伦由圆柱型空心金属构成，巴伦下端与同轴线外端相连接，上端分四个支路，相邻两个支路连接在一起分成两组，两组之间开路，与天线体中间层对应处相焊接，在空心圆柱巴伦的开路范围内，装有环形金属装置，可以调节该装置在空心圆柱巴伦的轴向位置，从而使天线电流分布在四分之一波长处达到平衡，配合四臂螺旋天线振子长度共同调节天线通信频带。阻抗变换内导体设置在空心金属圆柱巴伦内部，为实心圆柱体，根据阻抗变换原理，阻抗变换内导体沿轴向不同位置的直径不同，与空心圆柱型巴伦的相对轴向半径不同来实现阻抗变换，内导体一端焊接在射频接头内导体，另一端与中间层中心相连接，中间层中心与四臂螺旋天线其中两条相邻螺旋振子相连接，由于两条相邻螺旋振子长度相差约1/4波长，另外两条相邻的振子臂组与同轴线外导体连接，由于同轴线内、外导体电流相位相差180°，这就是天线实现圆极化的原理。空心介质用于承载天线体，可以由3D打印技术实现，通过施加空心介质，使得电磁波在介质中的波长发生变化，因此通过增加介质厚度，可以在一定范围内缩小天线的尺寸。而天线厚度不能一位的增加，因为这会对电磁波消耗过大，天线增益会受损。因此这里根据需要，选择合适的空心介质厚度，既减小了天线尺寸，也使得天线增益不致大幅度受损。本专利技术所涉及的天线，结合了阻抗匹配、阻抗转换、可重构等等原理，通过调节天线振子和可调式巴伦能够动态改变天线的频带特性、辐射特性；通过施加天线顶负载，改变天线辐射特性，增加天线低仰角性能指标；通过旋转中间层，改变天线极化特性；通过施加空心介质，来减小天线尺寸。使得天线具有非常好的可重构性和船体适应性，适用于INMARSAT卫星系统船载天线和北斗船载天线。附图说明附图1：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线原理与结构示意图。附图2：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线原理与结构柔性PCB板平面图。附图3：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线的天线中间层俯视图。附图4：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线可调式巴伦示意图。附图5：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线阻抗特性可重构结果-下调巴伦调节器图。附图6：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线阻抗特性可重构结果-上调巴伦调节器图。附图7：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线方向图可重构结果-未施加顶负载图。附图8：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线方向图可重构结果-施加顶负载图。附图9：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线极化可重构示意图-逆时针方向。附图10：本专利技术一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线极化可重构示意图-顺时针方向。图中标号名称：1.柔性PCB板、2.螺旋臂条、3.寄生臂条、4.中间层、5.顶负载、6.可调式巴伦、7.阻抗变换内导体、8.介质层、9.印制带条、10.弧形连接带条、11.连接螺丝、12.阻抗变换内导体焊接口、13.固定凸起、14.螺旋臂条连接端口、15.巴伦调节器具体实施方式：以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式图1表示的是所述的一种具有船体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，其特征是：该天线频带重构特性是通过改变柔性PCB板（1）的螺旋臂条（2）特性、寄生臂条（3）特性和中间层（4）来实现的；柔性PCB板（1）厚度为0.1 mm，板上每隔一定空间印有四臂螺旋臂条（2），相邻两个螺旋臂条长度不同，长度相差约四分之一波长，相对两条螺旋臂条长度相同；螺旋臂条（2）末端套有寄生臂条（3），可以沿旋向伸长或缩短，进而调节天线通信频段及谐振频率；四臂螺旋天线的柔性PCB板可以粘贴在圆柱形介质层上；四臂螺旋天线的四条螺旋臂条之间可以通过中间层（4）进行连接，中间层（4）也是由柔性PCB板制成，厚度为0.5 mm，PCB板上有印制电路，其中有四条金属印制带条，相邻金属印制带条由弧形连接带条进行连接，两条弧形连接带条之间绝缘；同时，金属印制带条分别与四条螺旋臂条（2）相连接，连接点处设有螺丝口，可通过连接螺丝连接，这样使相邻两个四臂螺旋臂条（2）相连接，分成两个臂条组，每组螺旋臂条组中，长螺旋臂条长度约落后谐振时长度约八分之一波长，产生一个相对于谐振时有‑45°相移的容性输入阻抗，短螺旋臂条超前谐振时长度相差约八分之一波长，产生一个相对于谐振时有45°相移的感性输入阻抗，即每组螺旋臂条彼此相位差约90°。...

【技术特征摘要】
1.一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，其特征是：该天线频带重构特性是通过改变柔性PCB板（1）的螺旋臂条（2）特性、寄生臂条（3）特性和中间层（4）来实现的；柔性PCB板（1）厚度为0.1mm，板上每隔一定空间印有四臂螺旋臂条（2），相邻两个螺旋臂条长度不同，长度相差约四分之一波长，相对两条螺旋臂条长度相同；螺旋臂条（2）末端套有寄生臂条（3），可以沿旋向伸长或缩短，进而调节天线通信频段及谐振频率；四臂螺旋天线的柔性PCB板可以粘贴在圆柱形介质层上；四臂螺旋天线的四条螺旋臂条之间可以通过中间层（4）进行连接，中间层（4）也是由柔性PCB板制成，厚度为0.5mm，PCB板上有印制电路，其中有四条金属印制带条，相邻金属印制带条由弧形连接带条进行连接，两条弧形连接带条之间绝缘；同时，金属印制带条分别与四条螺旋臂条（2）相连接，连接点处设有螺丝口，可通过连接螺丝连接，这样使相邻两个四臂螺旋臂条（2）相连接，分成两个臂条组，每组螺旋臂条组中，长螺旋臂条长度约落后谐振时长度约八分之一波长，产生一个相对于谐振时有-45°相移的容性输入阻抗，短螺旋臂条超前谐振时长度相差约八分之一波长，产生一个相对于谐振时有45°相移的感性输入阻抗，即每组螺旋臂条彼此相位差约90°。2.一种具有船体高适应性的自相移可重构四臂螺旋天线，其特征是：该天线可以通过可调式巴伦来实现频带特性与极化特性重构，从而大大拓宽等离子体天线动态可重构范围；可调式巴伦（6）是在四臂螺旋天线实现阻抗匹配的基础上，实现天线电流非平衡到平衡的转换；可调式巴伦（6）顶部有四个螺旋臂条连接端口，分别焊接在中间层弧形连接带条上，中间开有一定长度的切口，两组螺旋臂条彼此绝缘；可调式巴伦（6）底部与射频端口外导体相连接，可以通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵建森，
申请(专利权)人：苏州新阳升科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32