一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线制造技术

本发明专利技术公开了一种功分相移网络馈电的介质加载圆极化四臂螺旋天线。宽带馈电网络直接对四线螺旋进行等幅和９０°相位差馈电，克服了传统圆极化四臂螺旋天线通过自相移产生９０°相位差而存在的带宽窄、不方便调节校正和加工要求高的问题，同时也避免了由于不平衡馈电而需要设计巴仑。本发明专利技术结构紧凑，设计简单，具有非常好的宽带圆极化特性，非常适用于便携式移动终端。

A dielectric loaded four arm spiral antenna for a phase shifted feed network

The invention discloses a dielectric loaded circularly polarized four arm helical antenna fed by a phase shift network. Broadband feed network for four line spiral amplitude and phase difference of 90 DEG feed, to overcome the traditional circular polarization four arm spiral antenna by self phase shift of the phase difference of 90 DEG and the narrow band, inconvenient adjustment and correction processing requirements of the problem, but also avoid due to unbalanced feed design balun. The invention has the advantages of compact structure, simple design, and very good broadband circularly polarized characteristics, and is suitable for portable mobile terminals.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及介质加载螺旋天线，特别涉及一种采用新型功分相移网络馈电、能工作于宽频段、小体积、适用于手持终端的介质加载四臂螺旋天线。
技术介绍
近年来，卫星通信网络的服务愈来愈受到重视。随着GPS和北斗应用日益普及，迫 切需要一种能随时随地与卫星通信的便携式移动终端。天线作为接收机的耳目，其性能 直接影响接收机信号的质量。 圆极化四臂螺旋天线最早由C. C. Kilgus在1968年提出。该结构由四根金属螺旋 线条构成，通过同轴线对四根金属线馈电，并且在馈电端引入相移，使四根线条有90。电长 度差，从而使相邻的两根金属线具有90。相位差的等幅信号，便能产生心脏形的圆极化方 向图。这种结构具有不需要接地反射板的优点，在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通 信的要求，特别是加载高介电常数的介质后天线的整体尺寸很小，因而被应用到便携式卫 星通信终端。专利US5859621， US6369776B1， US64243161B以及US6886237B2都属此种结 构。但是，由于该结构是通过四根金属线的不同长度来产生90。相位差，随着加载介质介 电常数的提高，90。相位差带宽非常窄，不但加工精度要求太高，并且不易修正调校。此外， 由于采用同轴内外导体对螺旋线馈电，因而存在不平衡馈电的问题，需要巴仑电路(Bal皿) 设计。 2001年，英国Sarantel天线公司的Oliver Leisten提出了一种新型的四臂螺旋 天线——介质加载四臂螺旋天线(DQHA)。其辐射主体由四根金属螺旋线组成，每根螺旋臂 的长度约为入/2，缠绕在高介电常数(、=36)的介质柱上。螺旋线的底部与一个套筒 bahm相连接。该天线由一根穿过介质柱轴心的同轴线在顶部馈电。该四臂螺旋天线可 以看作是由两个正交的双臂螺旋组成，电流从同轴线内导体沿着螺旋线往下流，经过bahrn 的边缘和直径正对的那根螺旋线，回到同轴线外导体。为了实现90度相位差馈电，微调两 个双臂螺旋的长度，使一个双臂螺旋稍长于谐振长度，产生一个相角为+45度的输入阻抗； 使另外一个双臂螺旋稍短于谐振长度，产生一个-45度的相交。Balun的底部与同轴线的外 导体相连，高度为入/4(A是波导波长)，等效于在Bahm的顶部边缘产生了一个开路，使电 流只沿着巴伦的顶部边缘流，将天线与不平衡的馈电系统隔离开来，减小了人体手持对天 线性能的影响。 通过介质加载的方法，不但实现了小尺寸，而且将大部分近场能量耦合到介质里 面，在介质外面的近场能量非常小，用在GPS手持机上，人体组织对其产生的影响非常小。 同时该结构的天线还包括了完整的巴伦电路(Bal皿)设计，此设计将天线与不平衡的馈电 系统隔离开来，不但进一步减小了人体手持对它的影响，而且能隔离天线周边的讯号，因此 能容许各种功能的天线并存于极小的空间中而不会互相干扰。对于整合功能日趋多元化， 而且强调轻薄短小的手持式电子产品而言，此特性的重要性不可言喻 基于上述完美的性 能，该天线堪称是一项革命性的专利技术，被业界公认为最适合移动手持终端的GPS天线。 另外，Oliver Leisten在美国专利申请号US5859621, US6369776B1， US6424316B1 以及US6886237B2等专利中对介质加载四臂螺旋天线提出了多种不同的设计和加工方法， 如图5，图6，图7，图8所示。而专利号为US6914580B2的专利，介质加载天线，该专利通过 合理设计螺旋线之间的间隙从而使电流有多个耦合路径来产生宽带特性，如图9所示。 介质加载圆极化四臂螺旋天线因其具有尺寸小、不需要接反射板、能产生心脏形 的圆极化方向图和在低仰角时的圆极化性能也能满足卫星通信的要求等优点而广泛应用 于便携式卫星通信移动终端。目前的介质加载四臂螺旋天线结构大多是采用自相移来产 生90°相位差，即在设计四线螺旋时，使相邻的两根螺旋线之一的长度略大于谐振波长以 产生+45°相位，另一螺旋线长度略小于谐振波长以产生-45°相位，而相对的两根螺旋长 度相等，但使用同轴内外导体反相馈电。这样四根螺旋线上电流相位分别为+45° 、-45° 、 (180+45)°和(180-45)° ，因而可实现圆极化辐射。由于同轴内外导体对四根螺旋馈电存 在不平衡馈电问题，所以需要在四根螺旋线的末端设计长度为四分之一介质波长的巴仑来 抑制同轴外导体上的电流辐射。 但是，目前的介质加载圆极化四臂螺旋天线存在加工精度要求高、天线性能不易 调节和带宽太窄等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有介质加载圆极化四臂螺旋天线带宽窄、加工精度要求高 且不易调节等问题，提供一种新型功分相移网络馈电的介质加载四臂螺旋天线。该天线结 构紧凑，加工容忍度大，天线性能容易调节，不需要巴仑设计，圆极化带宽也很宽，适合便携 式移动卫星通信终端。 本专利技术的目的具体通过以下技术方案实现 —种功分相移网络馈电的介质加载四臂螺旋天线，四臂螺旋天线由四根金属螺旋 线组成，分别为金属螺旋线(18)、金属螺旋线(19)、金属螺旋线(20)和金属螺旋线(21)。 四根金属螺旋线加载在介质圆筒(17)上由介质圆筒(17)支撑，用于实现圆极化辐射，其中 所述的介质圆筒(17)为辐射主体。馈电网络由微带介质板(1)、中间地板(6)和微带介质 板(2)由上至下堆叠，然后与微带介质板(3)垂直放置组合而成。微带介质板(1)和微带 介质板(2)中间的公共地板(6)的宽度与微带介质板(1)与微带介质板(2)的宽度相等， 而长度小于微带介质板(1)与微带介质板(2)的长度，微带介质板(1)与微带介质板(2) 的长度与地板(6)的长度差等于平行双线(4)的长度。 所述的四根金属螺旋线的电长度均为半波长或均为四分之一波长，当四根金属螺 旋线的电长度均为半波长时，四根金属螺旋线的末端需要通过短路线(22)短接。四根金属 螺旋线(18)、 (19)、 (20)和(21)分别于介质圆筒(17)的圆周外表面，依螺旋状路径从介 质圆筒(17)底部延升至介质圆筒(17)的上表面边缘，同时，四根金属螺旋线(18)、 (19)、 (20)和(21)中任意相邻根金属螺旋线在介质圆筒(17)上的间距都相同。 其中，微带介质板(1)和微带介质板(2)背向中间地板(6)的一面上分别印刷有 一 Wilkinson功分器，两个功分器上分别印刷有作为馈电端口的平行双线(4)，中间的公共 地板(6)的宽度a与微带介质板(1)或微带介质板(2)的宽度相等，而长度b小于微带介 质板(1)或微带介质板(2)的长度，微带介质板(1)或微带介质板(2)的长度与地板(6)的长度差等于平行双线(4)的长度c。由平行双线(4)给两个Wilkinson功分器(5)馈电， 这样两个Wilkinson功分器(5)上的信号幅度相等，相位相差180° 。每个Wilkinson功 分器(5)将馈入的信号分成幅度和相位相等的两个输出信号，所以从两个Wilkinson功分 器(5)输出的四路信号幅度相等，从同一Wilkinson功分器(5)输出的两路信号相位相等， 从不同Wilkinson功分器(5)输入的信号相位相差180° ，并且每个Wilkinson功分器(5) 的两个输出端都使用100Q隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于包括馈电网络和四根金属螺旋线，其中馈电网络由微带介质板（１）、中间地板（６）和微带介质板（２）由上至下堆叠，然后与微带介质板（３）垂直放置组合而成，其中，中间地板（６）与与微带介质板（３）的地用一长的短路片（８）连接，微带介质板（３）上相背于中间地板（６）的另一面设置有一介质圆筒（１７），四根金属螺旋线分别为加载在介质圆筒（１７）上的用于实现圆极化辐射的金属螺旋线（１８）、金属螺旋线（１９）、金属螺旋线（２０）和金属螺旋线（２１），此外，微带介质板（１）背向中间地板（６）的一面上印刷有功分器一，微带介质板（２）背向中间地板（６）的一面上印刷有功分器二，同时，微带介质板（３）背向介质圆筒（１７）的一面上印刷有相移器，该相移器由四根５０Ω微带传输线组成，其中，四根５０Ω微带传输线分别为传输线（９）、传输线（１０）、传输线（１１）和传输线（１２）。

【技术特征摘要】
一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在于包括馈电网络和四根金属螺旋线，其中馈电网络由微带介质板(1)、中间地板(6)和微带介质板(2)由上至下堆叠，然后与微带介质板(3)垂直放置组合而成，其中，中间地板(6)与与微带介质板(3)的地用一长的短路片(8)连接，微带介质板(3)上相背于中间地板(6)的另一面设置有一介质圆筒(17)，四根金属螺旋线分别为加载在介质圆筒(17)上的用于实现圆极化辐射的金属螺旋线(18)、金属螺旋线(19)、金属螺旋线(20)和金属螺旋线(21)，此外，微带介质板(1)背向中间地板(6)的一面上印刷有功分器一，微带介质板(2)背向中间地板(6)的一面上印刷有功分器二，同时，微带介质板(3)背向介质圆筒(17)的一面上印刷有相移器，该相移器由四根50Ω微带传输线组成，其中，四根50Ω微带传输线分别为传输线(9)、传输线(10)、传输线(11)和传输线(12)。2. 根据权利要求1所述的一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在 于所述的四根金属螺旋线(18) 、(19) 、(20)和(21)的电长度均为半波长或均为四分之一波 长，四根金属螺旋线(18)、 (19)、 (20)和(21)分别于介质圆筒(17)的圆周外表面，依螺旋 状路径从介质圆筒(17)底部延升至介质圆筒(17)的上表面边缘，当四根金属螺旋线(18)、 (19) 、 (20)和(21)的电长度均为半波长时，四根金属螺旋线的末端需要通过短路线(22)短 接，馈电网络的输出端口 (13) 、(14) 、(15)和(16)分别在介质圆筒(17)的底部与四根金属 螺旋线(18) 、 (19) 、 (20)和(21)相接触，四根金属螺旋线(18) 、 (19) 、 (20)和(21)中任意 两根相邻的金属螺旋线在介质圆筒(17)上的间距都相同。3. 根据权利要求1所述的一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在 于所述的功分器一和功分器二都是Wilkinson功分器(5)。4. 根据权利要求1所述的一种功分相移馈电网络的介质加载四臂螺旋天线，其特征在 于所述的传输线(9)和传输线(10)电长度相差四分之一波长；传输线(11)和传输线(12) 电长度相差四分之一波长；传输线(9)和传输线(11)电长度相等；...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚庆昕，杜述，刘沙，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]