一种四臂螺旋天线的制作方法

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种四臂螺旋天线。

背景技术：

天线是卫星导航定位系统中的重要部件之一，天线能够接收卫星发射的电磁波信号并传送给导航终端内的接收机；同时，天线将导航终端内发射机发出的电信号辐射到空间的电磁波信号。

导航终端需要接收多颗导航卫星的信号才能进行导航和定位，而且，导航卫星的电磁波信号比较弱。为了能够接收到尽量多的导航卫星的信号，以及获得良好的信噪比，导航终端天线需要具有半球覆盖的宽波束特性。而且，由于导航卫星发射右旋圆极化的导航信号，这就要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性。

但是，传统的导航终端天线形式多为微带天线，或不具备低剖面特点的四臂螺旋天线，这些天线很难实现宽波束，而且圆极化性能差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四臂螺旋天线，以解决传统四臂螺旋天线宽波束和圆极化性能差的问题。

第一方面，本发明提供一种四臂螺旋天线，包括：四条辐射线和相移馈电网络，其中，所述馈电网络包括四个缝隙巴伦和一个相移网络；

四个所述辐射线均匀分布在一个圆周上，且每条所述辐射线都沿所述四臂螺旋天线的高度方向左螺旋上升；

所述相移网络包括一个输入端和四个馈电端口，用于将所述输入端输入的电信号转换成幅值相等，相位依次相差90°的馈电信号输出；

每个所述缝隙巴伦的输入端分别连接所述相移网络中一个不同的馈电端口，所述缝隙巴伦的接地端连接GND端，每个所述缝隙巴伦的输出端均连接一个不同的所述辐射线。

可选地，所述相移网络包括一个相移电桥和第一相移巴伦和第二相移巴伦；

所述相移电桥包括一个输入端、第一输出端和第二输出端，所述输入端用于输入电信号，所述第一输出端连接所述第一相移巴伦的输入端，所述第二输出端连接所述第二相移巴伦的输入端，所述相移电桥用于将所述输入端输入的电信号转换为两个幅值相等、相位相差90°的电信号；

所述第一相移巴伦包括一个输入端和两个馈电端口，所述第一相移巴伦用于将接收到的电信号转换成两个幅值相等相位相差90°的馈电信号；

所述第二相移巴伦包括一个输入端和两个馈电端口，所述第二相移巴伦用于将接收到的电信号转换成两个幅值相等相位相差90°的馈电信号。

可选地，所述相移电桥为贴片式相移电桥，所述第一相移巴伦和所述第二相移巴伦均为贴片式相移巴伦。

可选地，所述馈电网络位于双面印刷电路板上，其中，所述双面印刷电路板朝向所述辐射线的一面设置有接地端；所述双面印刷电路板的另一面设置有所述相移电桥、所述第一相移巴伦和所述第二相移巴伦。

可选地，所述辐射线的线宽为1mm。

可选地，所述辐射线为柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板上印刷有四条相互平行的金属线，且每条所述金属线与所述柔性印刷电路板的底边之间的夹角为预设角度。

可选地，所述柔性印刷电路板的厚度为0.2mm。

可选地，所述柔性印刷电路板所构成的圆柱的直径为20mm。

可选地，所述缝隙巴伦的缝隙宽度为1mm。

与现有技术相比，本发明提供的上述技术方案具有如下优点：采用左螺旋设置的四条辐射线作为天线主体，并采用缝隙巴伦和相移网络构成馈电网络。通过相移网络产生四个相位依次相差90°的等幅馈电信号，并通过缝隙巴伦传递给四条辐射线，最终使四条辐射线发射右旋圆极化电磁波。本发明提供的四臂螺旋天线的四条辐射线采用左螺旋方向设计，使得四臂螺旋天线具有良好的宽波束和圆极化特性。此外，缝隙巴伦能够调节四臂螺旋天线的输入阻抗，从而使四臂螺旋天线具有良好的阻抗带宽。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1示出了本发明一种四臂螺旋天线的示意图；

图2示出了本发明实施例一种辐射线的平面示意图；

图3示出了本发明实施例一种相移网络的框图；

图4示出了本发明一种包含相移网络的接地接口示意图；

图5示出了本发明一种相移网络的馈电端口的示意图；

图6示出了本发明的四臂螺旋天线的方向图；

图7示出了本发明的四臂螺旋天线的轴比方向图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，示出了本发明一种四臂螺旋天线的示意图。如图1所示，该四臂螺旋天线包括：四条辐射线110和相移馈电网络。

其中，相移馈电网络包括四个缝隙巴伦120和一个相移网130。

如图1所示，四条辐射线110均匀分布在一个圆周上，在圆周方向上相邻两个辐射线之间相差90°。而且，每条辐射线110都沿天线的高度方向左螺旋上升。

相移馈电网络用于为四条辐射线提供等幅、相位依次相差90°的平衡馈电信号。

相移网络130包括一个输入端和四个馈电端口，该相移网络130用于将从输入端输入的电信号转换成四个幅值相等、相位依次相差90°的馈电信号提供给四条辐射线110，使四条辐射线110的馈电相位依次相差90°，且依次超前90°，从而满足四臂螺旋天线发射右旋圆极化电磁波的要求。

在本发明的一些实施例中，每个辐射线110通过缝隙巴伦120与相移网络130的一个馈电端口电连接，通过缝隙巴伦120将不平衡信号转换成平衡信号并传递给辐射线110。而且，缝隙巴伦120能够调节四臂螺旋天线的输入阻抗，使四臂螺旋天线具有良好的阻抗带宽。

其中，缝隙巴伦120包括接地端、输入端和输出端，其中，输入端连接相移网络130的输出端，输出端连接辐射线110，接地端和地(GND)相连。

本实施例提供的四臂螺旋天线，采用左螺旋设置的四条辐射线作为天线主体，并采用缝隙巴伦和相移网络构成馈电网络。通过相移网络产生四个相位依次相差90°的等幅馈电信号，并通过缝隙巴伦传递给四条辐射线，最终使四条辐射线发射右旋圆极化电磁波。本发明提供的四臂螺旋天线的四条辐射线采用左螺旋方向设计，使得四臂螺旋天线具有良好的宽波束和圆极化特性。

下面将结合图2对四臂螺旋天线的辐射线进行详细说明。

请参见图2，示出了本发明实施例一种辐射线的平面示意图。本实施例中，四条辐射线110是柔性印刷电路板100上的金属线。

如图2所示，柔性印刷电路板100展开后是一个平行四边形，四条辐射线110相互平行，相邻两条辐射线110之间的间距相等，而且，每条辐射线110与柔性印刷电路板100水平边的夹角α可以为预设角度，例如，该预设角度可以是40°。所述夹角α的角度可以根据实际应用时，对辐射线的电长度及四臂螺旋天线的整体高度等的要求选取，此处不再限定。

柔性印刷电路板100为单面印刷电路板，辐射线110为印刷在柔性印刷电路板100上的金属线，该金属线可以是金属铜，当然也可以是其他的金属材质此处不做限定。

本发明的一些实施例中，辐射线110的线宽可以是1mm，当然，在其它实施例中线宽也可以其他宽度，根据实际情况选取合适的线宽，此处不做限定。

柔性印刷电路板100的板厚可以是0.2mm，板厚较小比较容易卷成圆柱性。此外，在本发明的一些实施例中，柔性印刷电路板100形成圆柱形的直径可以是20mm，可见天线主体部分体积较小，适用于体积较小的设备中。

如图2所示，缝隙巴伦120包括输入端121、接地端122和输出端123。其中，缝隙巴伦120的缝隙宽度可以是1mm，当然，也可以根据具体情况选取其他缝隙宽度的缝隙巴伦。

每个辐射线110连接一个缝隙巴伦120的输出端123，每个缝隙巴伦120的输入端121连接相移网络(图2中未示出)的一个馈电端口，且不同缝隙巴伦120的输入端121连接相移网络中的不同馈电端口；每个缝隙巴伦120的接地端122均连接地(GND)。

本实施例提供的四臂螺旋天线，利用柔性印刷电路板加工得到四臂螺旋天线的主体，具有良好的机械特征，保证四臂螺旋天线的稳定性，而且，还具有良好的装配特性，在四臂螺旋天线的安装过程中辐射线不易产生形变。

下面将结合图3对四臂螺旋天线中的相移网络进行详细说明。

请参见图3，示出了本发明实施例一种相移网络的框图，本实施例提供的相移网络包括一个相移电桥210和两个相移巴伦，分别是第一相移巴伦220和第二相移巴伦230。

相移电桥210包括一个输入端和两个输出端，两个相移巴伦均包括一个输入端和两个输出端。

相移电桥210的输入端连接外部的射频电路，相移电桥210的一个输出端连接第一相移巴伦220的输入端，相移电桥210的另一个输出端连接第二相移巴伦230的输入端。

其中，相移电桥210的输入端作为相移网络的输入端，第一相移巴伦220和第二相移巴伦230的四个输出端分别是相移网络的四个馈电端口。

相移电桥210用于将射频电路产生的射频信号变换成两个相位相差90°的等幅馈电信号分别传输给第一相移巴伦220和第二相移巴伦230。在本发明的一些实施例中，例如，相移电桥210可以使用3DB电桥。

第一相移巴伦220用于将接收到的馈电信号变换成两个相位相差90°的等幅馈电信号；同理，第二相移巴伦230用于将接收到的馈电信号变换成两个相位相差90°的等幅馈电信号。

其中，相移电桥210变换后的馈电信号经过第一相移巴伦220和第二相移巴伦230再次进行变换得到的四个馈电信号的相位依次相差90°，从而使四臂螺旋天线发射右旋圆极化电磁波。

例如，假设射频电路产生的射频信号的相位是0°，则经过相移电桥110变换后得到相位分别0°和-90°的两个等幅馈电信号，其中，相位为0°的馈电信号经过第一相移巴伦220变换后得到相位分别是0°和-180°的两个馈电信号；相位为-90°的馈电信号经过第二相移巴伦230变换后得到相位分别是-90°和-270°的馈电信号，这样，四个馈电信号的相位依次相差-90°，并使四个馈电信号从天线上方向下看时按照逆时针排列，保证四个螺旋臂输出右旋圆极化信号。

参见图1，相移网络130设置在双面印刷电路板上，双面印刷电路板可以厚度可以是0.9mm，边长为23mm的正方形印刷电路板。当然，也可以采用其他形状(例如，圆形)、其它厚度的印刷电路板，此处不做限定。

其中，相移电桥和相移巴伦均采用贴片式结构的产品，例如贴片电桥和贴片巴伦，大大减小了相移网络的尺寸，从而使本发明提供的四臂螺旋天线能够安装到体积较小的设备中，可以广泛适用于无人机机载或地面手持设备导航终端等。

下面将结合图4和图5分别对相移网络中的接地接口和馈电端口进行详细说明。

请参见图4，示出了本发明一种包含相移网络的接地接口示意图，在本实施例中，所述双面印刷电路板的一面设置有接地接口，且设置有接地接口的一面朝向柔性印刷电路板。

双面印刷电路板300上设置的四个接地接口310均匀分布在圆上，且每个接地接口对应柔性印刷电路板上的一条辐射线，每条辐射线均通过缝隙巴伦的接地端与接地接口310电连接，例如，通过焊接方式连接。

请参见图5，示出了本发明一种相移网络的馈电端口的示意图，本实施例中，相移网络贴片电桥和贴片巴伦设置在双面印刷电路板300上背对柔性印刷电路板的一面上。

采用贴片电桥和贴片巴伦能够大大减小相移网络的尺寸，进而减小四臂螺旋天线的整体尺寸，本实施例中，四臂螺旋天线的总高度仅为29mm，可以适用于尺寸较小的设备中。

相移网络的四个馈电端口320均匀分布在一个圆周上，且每个馈电端口320对应柔性印刷电路板上的一条辐射线，每条辐射线均通过一个不同的缝隙巴伦的输入端与对应馈电端口电连接，例如，可以通过焊接方式连接。

具体的，由于馈电端口320设置在双面印刷电路板300的背对辐射线的一面，每个缝隙巴伦的输入端通过双面印刷电路板上的过孔及馈电传输线与馈电接口电连接。

本实施例提供的四臂螺旋天线，相移馈电网络利用贴片电桥和贴片巴伦实现，大大减小了相移馈电网络的尺寸，从而减小了四臂螺旋天线的整体尺寸，使得四臂螺旋天线能够安装在体积较小的设备中。

下面将结合图6、图7、表1和表2对四臂螺旋天线的各项测试结果进行说明。

对本发明提供的四臂螺旋天线的回波损耗进行测试，根据回波损耗测试结果可知回波损耗小于-10dB的频率范围是1.55GHz～1.6GHz。

对本发明提供的四臂螺旋天线的方向图和增益在微波暗室中进行测试，测得的方向图如图6所示，图6所对应的测试数据如表1所示。根据表1及图6所示的测试结果可见，该四臂螺旋天线在1.558GHz～1.594GHz的轴向增益≥2.0dBi，最大增益为3.9dB；波束宽度≥92°；在低仰角±10°时，增益≥-3.8dBi、在低仰角±20°时，增益≥-2.3dBi。其中，在GPS L1频段1.575GHz低仰角±20°时，增益≥-0.7dBi，优于一般天线2dBi。

表1

由上述的测试结果可见，本发明提供的四臂螺旋天线具有良好的宽波束特性及右旋圆极化性能。

四臂螺旋天线轴比方向图如图7所示，轴比测试数据表2所示，由表2中的数据可见，在1.558GHz到1.594GHz的轴向轴比(即，表2中的0度轴比)AR≤1.6dB，低仰角±20°轴比(即，表2中的-70度/70度轴比)AR≤5.0dB。

表2

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。