一种顶端谐振四臂螺旋天线的制作方法
【专利摘要】本发明属于卫星导航天线【技术领域】，具体涉及一种顶端谐振四臂螺旋天线。本发明的顶端谐振四臂螺旋天线自上而下包括天线主辐射体、天馈网络和结构主体，天线主辐射体下端接触安装天馈网络形成接触式馈电，结构主体用于支撑固定其上方的天线主辐射体和天馈网络。本发明具有工作带宽宽、辐射效率高、极化纯度高、波束宽度大、相位中心稳定和近场范围小等优点，与传统四臂螺旋导航天线相比，具有增益高、结构牢固、易于生产加工等优点。
【专利说明】一种顶端谐振四臂螺旋天线
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星导航天线【技术领域】，具体涉及一种顶端谐振四臂螺旋天线。
【背景技术】
[0002]卫星导航天线的基本工作原理是同时能够接收到来自于天空中多颗(不少于4颗)导航卫星的电磁信号，并有效地将其转化为电信号传递给后级接收机系统。由于圆极化电磁波入射到目标时旋向逆转，而同时右旋圆极化天线能接收右旋圆极化波，而不能接收左旋圆极化波，反之亦然。因此圆极化天线能抑制雨雾干扰和多径反射，被广泛应用于移动通信、卫星定位等领域。目前全球几大卫星导航系统发射天线均使用右旋圆极化天线进行发射，接收天线也需要设计成右旋圆极化天线，才能获得最佳的接收信噪比。
[0003]常见的导航卫星接收天线以微带天线与螺旋天线两大家族为主，它们都有着各自的优、缺点，在特定的应用环境下无法互相取代。
[0004]微带天线具有以下优点:(1)剖面低、体积小、重量轻、能与载体共形；(2)具有平面结构，便于和有源器件集成为单一模块；(3)易于加工制造，成本低廉。相同结构的微带天线可以组成微带天线阵，以获得更高的增益和更大的带宽。鉴于微带天线的诸多优点，在全球定位系统中越来越多的采用微带天线来设计收发端。
[0005]微带天线是在带有金属导体接地板的介质基板上贴加导体薄片而成的天线。它可利用微带线或是同轴线进行馈电，在导体贴片与接地板之间激励起电磁场，并通过微带贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射电磁场。
[0006]但微带天线工作带宽窄、方向性强(相对)、易受边界条件影响(天线近场区较大)、辐射效率低、相位中心稳定性差以及圆极化纯度低等缺点也使得其在某些应用场合无法完全胜任，尤其是要求低俯仰角收星的情况下。
[0007]螺旋天线由于其自身样式决定，能够产生纯度很高的圆极化辐射。由于具有行波天线特性，配合宽带馈电网络，平面螺旋天线可以达到超过10:1的带宽。但为了实现单向辐射，平面螺旋天线需要一个深度约为1/4波长的反射腔。且天线尺寸与工作波长成正比，几乎不受波导波长影响，因此体积较大，不适合装载于飞行器或小型卫星上进行卫星导航应用，常见于地面监测类应用。
[0008]立体螺旋天线有独臂螺旋天线与多臂螺旋天线之分，多臂螺旋天线体积较小，且方向图更接近半球形，相位中心更为稳定，波瓣宽度更广。其中，四臂螺旋天线在卫星导航领域备受人们的青睐。谐振式四臂螺旋天线是一种卫星导航系统中常用的天线形式，具有不需要参考地、能产生赋形方向图，且重量轻、尺寸小的优点。但四臂螺旋天线最大增益理论上不超过3dB，接收信号效果略差；且传统的四臂螺旋天线制作工艺是将金属导体缠绕在介质柱上，或将金属臂印制在柔性印制板上卷曲而成，无法满足如装载于弹头部位时大冲击、大过载、高速旋转的工作要求。
【发明内容】
[0009]本发明需要解决的技术问题为:现有四臂螺旋天线增益小，接收信号效果差；结构不牢固，难以满足如装载于弹头部位时大冲击、大过载、高速旋转的工作要求。
[0010]本发明的技术方案如下所述:
[0011]一种顶端谐振四臂螺旋天线，自上而下包括天线主辐射体、天馈网络和结构主体，天线主辐射体下端接触安装天馈网络形成接触式馈电，结构主体用于支撑固定其上方的天线主辐射体和天馈网络；
[0012]所述天线主辐射体为四臂螺旋圆台形，四臂顶端相连接，中心通过固定螺钉与结构主体相固定；所述天馈网络将输入至天馈网络输入端口的电信号等功率分为四路，并且每相邻两路之间依次相差90度，从四个输出端口将电信号传递给天线主辐射体的四个螺旋臂底部的馈电端面；天线主辐射体的馈电端面通过螺钉，贯穿天馈网络固定于结构主体上。
[0013]作为优选方案:所述天线主辐射体包括谐振顶部、四条螺旋臂和螺旋臂底部馈电端面:所述谐振顶部为实心圆台，其设有螺钉通孔，用于通过校正螺钉与结构主体相固定，并校正所述天线主辐射体中心位置矢量；四条圆周方向均匀分布的螺旋臂，上部与谐振顶部呈一体化设计，其余部分逐渐增粗沿谐振顶部张角向下沿同一旋转方向螺旋延伸，整体呈圆台形；每条螺旋臂底端水平向外延展，形成四个互不接触的馈电端面，每个馈电端面均设有馈电紧固螺钉安装孔。
[0014]作为优选方案:四条螺旋臂由上至下逆时针旋转3/4周，使天线具有右旋圆极化辐射特性；或四条螺旋臂由上至下顺时针旋转3/4周，使天线具有左旋圆极化辐射特性；四条螺旋臂的长度均接近所需工作频率波长的3/4。
[0015]作为优选方案:所述天馈网络由介质基板制作而成，包括一分四正交功分网络、阻抗匹配网络、四个馈电面和射频地面:从天馈网络输入端进入的电信号依次经一分四正交功分网络、阻抗匹配网络和馈电面通过天线主辐射体的馈电端面传递至天线主辐射体。
[0016]作为优选方案:
[0017]所述一分四正交功分网络由印制在介质基板上的微带线及焊接元器件组成，将输入端信号等功率、依次相差90度输出至天馈网络四个馈电面；相位差顺序根据左、右旋圆极化需求设计；所述一分四正交功分网络所有输入、输出端口根据实际需要进行阻抗匹配；
[0018]所述馈电面为与螺旋臂底部馈电端面相同形状尺寸的微带线，四个馈电面的位置与螺旋臂底部馈电端面相对应，能够在天线主辐射体安装在天馈网络上时完全被螺旋臂底部馈电端面所覆盖；
[0019]馈电面与一分四正交功分网络之间通过阻抗匹配网络进行连接:一分四正交功分网络四个输出端连接阻抗匹配网络，阻抗匹配网络使输出阻抗与馈电面输入阻抗相匹配；
[0020]所述射频地面为天馈网络的信号地，射频地面连通结构主体与天线主辐射体，作为整个天线的射频地，最终与天馈网络输出端连接的后续装置的信号地接通。
[0021]作为优选方案:所述一分四正交功分网络通过不等长功分器或3dB的90度功率耦合器实现；所述射频地面通过在天馈网络介质基板的下底面整面覆铜实现；每个馈电面设有与螺旋臂底部馈电端面数量、位置相应的馈电紧固螺钉金属化通孔，用于安装馈电紧固螺钉。[0022]作为优选方案:所述结构主体设有校正螺钉安装孔，通过所述校正螺钉固定天线主辐射体；结构主体还设有馈电紧固螺钉安装孔，馈电紧固螺钉自上而下依次通过螺旋臂底部馈电端面的馈电紧固螺钉安装孔、天馈网络馈电面的馈电紧固螺钉通孔和结构主体的馈电紧固螺钉安装孔。
[0023]作为优选方案:通过结构主体边沿设置螺纹装配天线罩。
[0024]作为优选方案:所述天线主辐射体和结构主体为全金属材料；所述天馈网络采用较高介电常数的板材作为介质基板。
[0025]作为优选方案:所述天线主辐射体和结构主体选择质量较轻的铝或铝合金；所述天馈网络采用高频陶瓷复合材料。
[0026]本发明的有益效果为:
[0027]本发明与微带导航天线相比，具有工作带宽宽、辐射效率高、极化纯度高、波束宽度大、相位中心稳定和近场范围小等优点；与传统四臂螺旋导航天线相比，具有增益高、结构牢固、易于生产加工等优点。
[0028]本发明采用一体化金属材质作为天线主辐射体，相较其他传统形式天线主辐射体，具有安装精度高、结构牢固、可靠、电磁损耗小、辐射效率高等特点。
[0029]本发明采用顶端相连的四臂螺旋结构天线主辐射体，使天线同时具有行波天线和驻波天线的特点，在保证波束宽度较宽的情况下，提高主波束增益。
[0030]本发明采用等幅正交的一分四馈电网络作为天馈网络主要组件，具有阻抗带宽较宽、产生圆极化纯度高、保证天线相位中心稳定的特点。使用此种设计的天馈网络可以使天线的辐射在各方向上保持最高的幅度一致性及极化纯度，可以使天线在以轴心为轴的高速旋转情况下稳定地接收天空中的导航卫星信号。本发明特别适用于高速旋转的载体顶端安装，或具有大冲击、大过载环境的载体安装。
[0031]本发明的天馈网络馈电面与天线主辐射体馈电端面结构形式为接触式馈电，但在中间未精准接触的工程环境下，在一定距离范围内依然具有馈电效果，即实际馈电类型为耦合型馈电。在这种馈电形式下，天线具有馈电端可通过金属螺钉固定在结构主体，即天线地，的可行性。这种固定形式具有使天线馈电可靠、结构牢固的特点。
[0032]本发明的结构主体是一种能够根据实际项目要求设计的金属承载物，通过结构主体可以起到固定天线主辐射体及天馈网络的作用，在结构主体外圈加工螺纹，可以安装共形天线罩。
[0033]本发明在结构设计上将天线主辐射体、天馈网络由上至下通过金属螺钉固定在结构主体上，结构上十分紧凑；通过调整天线主辐射体圆台形状的张角，在保持主辐射体螺旋臂长不变的情况下，可以改变天线的高度以适应实际项目条件要求；并且本发明的主要结构件的材质在无特殊环境要求时都采用重量较轻的铝或铝合金，保证整个天线重量轻。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1为顶端谐振四臂螺旋天线立体图；
[0035]图2为顶端谐振四臂螺旋天线俯视图；
[0036]图3为天线主辐射体侧视图；
[0037]图4为天线主辐射体仰视图；[0038]图5为天馈网络俯视图；
[0039]图6为结构主体俯视图；
[0040]图7为顶端谐振四臂螺旋天线工作原理图。
[0041]其中，1-天线主辐射体，2-天馈网络，3-结构主体，4-校正螺钉，5-馈电紧固螺钉，6-谐振顶部，7-螺旋臂，8-馈电端面，9-一分四正交功分网络，10-阻抗匹配网络，11-馈电面，12-天馈输入端，13-校正螺钉安装孔，14-馈电紧固螺钉安装孔。
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和实施例对本发明的顶端谐振四臂螺旋天线进行详细说明。
[0043]如图1?图3所示，一种顶端谐振四臂螺旋天线，自上而下包括天线主辐射体1、天馈网络2和结构主体3:天线主辐射体I下端接触安装天馈网络2形成接触式馈电，结构主体3用于支撑固定其上方的天线主辐射体I和天馈网络2。
[0044]所述天线主辐射体I为金属材质，用于将天馈网络2流入主辐射体的电信号转化为电磁场能量信号辐射至空间中(或逆过程)。天线主辐射体I为四臂螺旋圆台形，顶端相连接，中心通过固定螺钉与结构主体3相固定。所述天馈网络2用于将输入至天馈网络2输入端口的电信号等功率分为四路，并且每相邻两路之间依次相差90度，从四个输出端口将电信号传递给天线主辐射体I的四个螺旋臂7底面馈电端面8。天线主辐射体I的馈电端面8通过螺钉，贯穿天馈网络2固定于结构主体3上。
[0045]所述天线主辐射体I包括谐振顶部6、四条螺旋臂7和螺旋臂7底部馈电端面8:所述谐振顶部6为实心圆台，其设有沉头螺钉通孔，用于通过校正螺钉4与结构主体3相固定，并校正所述天线主辐射体I中心位置矢量；四条圆周方向均匀分布的螺旋臂7，上部与谐振顶部6呈一体化设计，其余部分逐渐增粗沿谐振顶部6张角向下沿同一旋转方向螺旋延伸，整体呈圆台形；每条螺旋臂7底端水平向外延展，形成图4所示四个互不接触的馈电端面8，每个馈电端面8均设有馈电紧固螺钉安装孔14。
[0046]本实施例中，四条螺旋臂7由上至下逆时针旋转约3/4周，即270度，使天线具有右旋圆极化辐射特性；或四条螺旋臂7由上至下顺时针旋转约3/4周，使天线具有左旋圆极化辐射特性。四条螺旋臂7的长度均接近所需工作频率波长的3/4，如约为导航信号中心频点空间波长的3/4。每条螺旋臂7延展出的馈电端面8上设有两个馈电紧固螺钉安装孔14，用于安装馈电紧固螺钉5。
[0047]如图5所示，所述天馈网络2由介质基板制作而成，包括一分四正交功分网络9、阻抗匹配网络10、四个馈电面11和射频地面:从天馈网络2输入端进入的电信号依次经一分四正交功分网络9、阻抗匹配网络10和馈电面11通过天线主辐射体I的馈电端面8传递至天线主辐射体I。
[0048]在所述天馈网络2输入端设置输入阻抗，本实施例中输入阻抗为50欧姆，一般使用1/4波长变换微带线实现；
[0049]所述一分四正交功分网络9由印制在介质基板上的微带线及焊接元器件组成，可通过不等长功分器或3dB的90度功率耦合器等形式实现，最终将输入端信号等功率、依次相差90度输出至天馈网络2四个馈电面11 ;相位差顺序根据左、右旋圆极化需求设计；所述一分四正交功分网络9所有输入、输出端口根据实际需要进行阻抗匹配。[0050]所述馈电面11为与螺旋臂7底部馈电端面8相同形状尺寸的微带线，四个馈电面11的位置与螺旋臂7底部馈电端面8相对应，能够在天线主辐射体I安装在天馈网络2上时完全被螺旋臂7底部馈电端面8所覆盖。
[0051]馈电面11与一分四正交功分网络9之间通过阻抗匹配网络10进行连接:一分四正交功分网络9四个输出端连接阻抗匹配网络10，阻抗匹配网络10使输出阻抗与馈电面11输入阻抗相匹配。
[0052]所述射频地面为天馈网络2的信号地，本实施例中，射频地面通过在天馈网络2介质基板的下底面整面覆铜实现，射频地面连通结构主体3与天线主辐射体I，作为整个天线的射频地，最终与天馈网络2输出端连接的后续装置(如天馈电缆)的信号地接通。
[0053]本实施例中，每个馈电面11设有与螺旋臂7底部馈电端面8数量、位置相应的馈电紧固螺钉5金属化通孔，用于安装馈电紧固螺钉5，通孔设置在不会将电信号与射频地面在工作频率短路的位置。
[0054]如图6所示，所述结构主体3设有校正螺钉安装孔13，通过所述校正螺钉4固定天线主辐射体I ;结构主体3还设有馈电紧固螺钉安装孔14，馈电紧固螺钉5自上而下依次通过螺旋臂7底部馈电端面8的馈电紧固螺钉安装孔14、天馈网络2馈电面11的馈电紧固螺钉5通孔和结构主体3的馈电紧固螺钉安装孔14。
[0055]本实施例中，结构主体3与天馈网络2形状相同。结构主体3边沿设有螺纹，可以根据实际结构要求装配天线罩。
[0056]本实施例中，所述天线主辐射体I和结构主体3为全金属材料，优选质量较轻的铝或铝合金；其中，天线主辐射体I可以采用整块铝棒料机加制成，以达到结构牢固、易于安装的效果。所述天馈网络2采用较高介电常数的板材作为介质基板，优选高频陶瓷复合材料。
[0057]整个顶端谐振四臂螺旋天线的工作流程如图7所示:电信号经与信号输入端阻抗匹配的连接器将信号输入至信号输入端，通过一分四正交功分网络9输出四路按逆时针相位依次落后90度的等幅信号，通过阻抗匹配网络10将信号传递至馈电面11，信号经过耦合馈电耦合至螺旋臂7底部馈电端面8，在信号传经天线主辐射体I中的四条螺旋臂7直至谐振顶部6过程中，将被转化为电磁场能量向空间中以右旋圆极化形式辐射出去。天线为无源器件，图7所示的工作流程可逆，如作为卫星导航天线使用时，天线为接收器件。
【权利要求】
1.一种顶端谐振四臂螺旋天线，自上而下包括天线主辐射体(1)、天馈网络(2)和结构主体(3)，天线主辐射体(1)下端接触安装天馈网络(2)形成接触式馈电，结构主体(3)用于支撑固定其上方的天线主辐射体(1)和天馈网络(2);其特征在于: 所述天线主辐射体(1)为四臂螺旋圆台形，四臂顶端相连接，中心通过固定螺钉与结构主体(3)相固定；所述天馈网络(2)将输入至天馈网络(2)输入端口的电信号等功率分为四路，并且每相邻两路之间依次相差90度，从四个输出端口将电信号传递给天线主辐射体(I)的四个螺旋臂(7)底部的馈电端面(8);天线主辐射体(1)的馈电端面(8)通过螺钉，贯穿天馈网络(2)固定于结构主体(3)上。
2.根据权利要求1所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:所述天线主辐射体(1)包括谐振顶部(6)、四条螺旋臂(7)和螺旋臂(7)底部馈电端面(8):所述谐振顶部(6)为实心圆台，其设有螺钉通孔，用于通过校正螺钉(4)与结构主体(3)相固定，并校正所述天线主辐射体(1)中心位置矢量；四条圆周方向均匀分布的螺旋臂(7)，上部与谐振顶部(6)呈一体化设计，其余部分逐渐增粗沿谐振顶部(6)张角向下沿同一旋转方向螺旋延伸，整体呈圆台形；每条螺旋臂(7)底端水平向外延展，形成四个互不接触的馈电端面(8)，每个馈电端面(8 )均设有馈电紧固螺钉安装孔(14 )。
3.根据权利要求2所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:四条螺旋臂(7)由上至下逆时针旋转3/4周，使天线具有右旋圆极化辐射特性；或四条螺旋臂(7)由上至下顺时针旋转3/4周，使天线具有左旋圆极化辐射特性；四条螺旋臂(7)的长度均接近所需工作频率波长的3/4。
4.根据权利要求2所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:所述天馈网络(2)由介质基板制作而成， 包括一分四正交功分网络(9)、阻抗匹配网络(10)、四个馈电面(11)和射频地面:从天馈网络(2)输入端进入的电信号依次经一分四正交功分网络(9)、阻抗匹配网络(10)和馈电面(11)通过天线主辐射体(1)的馈电端面(8)传递至天线主辐射体(1)。
5.根据权利要求4所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于: 所述一分四正交功分网络(9)由印制在介质基板上的微带线及焊接元器件组成，将输入端信号等功率、依次相差90度输出至天馈网络(2)四个馈电面(11);相位差顺序根据左、右旋圆极化需求设计；所述一分四正交功分网络(9)所有输入、输出端口根据实际需要进行阻抗匹配； 所述馈电面(11)为与螺旋臂(7)底部馈电端面(8)相同形状尺寸的微带线，四个馈电面(11)的位置与螺旋臂(7)底部馈电端面(8)相对应，能够在天线主辐射体(1)安装在天馈网络(2)上时完全被螺旋臂(7)底部馈电端面(8)所覆盖； 馈电面(11)与一分四正交功分网络(9)之间通过阻抗匹配网络(10)进行连接:一分四正交功分网络(9)四个输出端连接阻抗匹配网络(10)，阻抗匹配网络(10)使输出阻抗与馈电面(11)输入阻抗相匹配； 所述射频地面为天馈网络(2)的信号地，射频地面连通结构主体(3)与天线主辐射体(1)，作为整个天线的射频地，最终与天馈网络(2)输出端连接的后续装置的信号地接通。
6.根据权利要求5所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于: 所述一分四正交功分网络(9)通过不等长功分器或3dB的90度功率耦合器实现；所述射频地面通过在天馈网络(2)介质基板的下底面整面覆铜实现；每个馈电面(11)设有与螺旋臂(7)底部馈电端面(8)数量、位置相应的馈电紧固螺钉(5)金属化通孔，用于安装馈电紧固螺钉(5)。
7.根据权利要求2所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:所述结构主体(3)设有校正螺钉安装孔(13)，通过所述校正螺钉(4)固定天线主辐射体(1);结构主体(3)还设有馈电紧固螺钉安装孔(14)，馈电紧固螺钉(5)自上而下依次通过螺旋臂(7)底部馈电端面(8)的馈电紧固螺钉安装孔(14)、天馈网络(2)馈电面(11)的馈电紧固螺钉(5)通孔和结构主体(3)的馈电紧固螺钉安装孔(14)。
8.根据权利要求7所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:通过结构主体(3)边沿设置螺纹装配天线罩。
9.根据权利要求1或2所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:所述天线主辐射体(1)和结构主体(3)为全金属材料；所述天馈网络(2)采用较高介电常数的板材作为介质基板。
10.根据权利要求1或2所述的顶端谐振四臂螺旋天线，其特征在于:所述天线主辐射体(1)和结构主 体(3)选择质量较轻的铝或铝合金；所述天馈网络(2)采用高频陶瓷复合材料。
【文档编号】H01Q1/12GK103915679SQ201410125651
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】刘峥 申请人:北京自动化控制设备研究所