一种平面等角螺旋天线及无人机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种平面等角螺旋天线及无人机，所述平面等角螺旋天线包括：衬底；第一辐射臂和第二辐射臂，铺设于所述衬底的一面，所述第一辐射臂和第二辐射臂自起始端向外以螺旋方式分布；同轴电缆馈电部件，在所述起始端与所述第一辐射臂和所述第二辐射臂连接；其中，所述第一辐射臂与所述第二辐射臂在起始端的夹角α为：0°<α<180°,或180°<α<360°。所述无人机承载有上述的平面等角螺旋天线。所述天线的谐振模式为非平衡式谐振，因此可直接采用同轴电缆馈电，从而节省了巴伦的设计，降低了天线系统设计复杂度。由于省略了巴伦，可以在厚度上减少天线的尺寸，使天线设计简洁，更加小巧轻便。
【专利说明】
一种平面等角螺旋天线及无人机
技术领域
[0001]本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种平面等角螺旋天线及无人机。
【背景技术】
[0002]无人机在许多领域都有广泛的应用，尤其消费级无人机以其体积小、重量轻、成本低等特点博得了众多消费者的喜爱。但是，考虑到用户体验以及安全性等因素，基于GPS(Global Posit1n System,全球定位系统)的导航系统已成为无人机自主飞行里不可或缺的重要组成部分;导航系统为驾驶员或自动驾驶仪提供用以实现对运载体的正确操纵或控制。随着科学技术的发展，可利用的信息导航资源越来越多，现代导航不仅要满足运载体航行的目的性，还要解决航行的安全性，连续性和有效性。由于现代科技的迅猛发展，GPS导航系统朝着高集成化，智能化，多用途方向发展;而作为导航系统的通讯核心器件GPS天线则成为考验系统性能优劣的关键。
[0003]目前，市面上的无人机领域的GPS天线多是常见的陶瓷patch(贴片)天线，如图1所示，该陶瓷patch天线的规格尺寸为25(长)*25(宽)*6mm(厚度)。这种陶瓷GPS patch天线的性能比较稳定，但其设计复杂，天线厚度大。
【发明内容】
[0004]技术问题
[0005]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种平面等角螺旋天线，在保证性能稳定性的前提下实现设计简洁、小巧、轻便，以适应于无人机导航的需要。
[0006]解决方案
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供一种平面等角螺旋天线，所述平面等角螺旋天线包括:衬底;第一辐射臂和第二辐射臂，铺设于所述衬底的一面，所述第一辐射臂和第二辐射臂自起始端向外以螺旋方式分布；同轴电缆馈电部件，在所述起始端与所述第一辐射臂和所述第二辐射臂连接;其中，所述第一辐射臂与所述第二辐射臂在起始端的夹角α为:0。<α<180°，或 180° <α<360°。
[0008]在一个示例中，所述第一辐射臂和所述第二辐射臂的臂长介于工作辐射波在自由空间中的波长的二分之一和所述工作辐射波在衬底中的波长的二分之一之间，所述工作辐射波的频率对应于所述平面等角螺旋天线的谐振频率。
[0009]在一个示例中，所述工作辐射波的频率为1575.42MHz;所述工作辐射波在自由空间中的波长为0.19m;所述工作辐射波在衬底中的波长为90.9mm;所述第一辐射臂和所述第二福射臂的臂长为50mm?70mm。
[0010]在一个示例中，所述衬底为聚合物衬底。在一个示例中，所述衬底由介电常数ξ为4.4的聚四氟乙烯构成。
[0011]在一个示例中，所述衬底的长为40mm，宽为40mm，厚度为1mm。
[0012]在一个示例中，所述夹角α为120°。
[0013]为了解决上述技术问题，本发明提供一种无人机，所述无人机承载有上述的平面等角螺旋天线。
[0014]有益效果
[0015]本发明实施例的平面等角螺旋天线，采用主辐射臂与辅助辐射臂的夹角α为:0°〈α〈180°，或180°〈α〈360°，使天线谐振模式为非平衡式谐振，因此可直接采用同轴电缆馈电，从而节省了巴伦的设计，降低了天线系统设计复杂度。由于省略了巴伦，可以在厚度上减少天线的尺寸，同时可以利用天线的两条辐射臂的耦合特性减少天线的横向尺寸，在保证性能稳定性的前提下，使天线设计简洁，更加小巧轻便。
【附图说明】
[0016]包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
[0017]图1示出常用无人机GPSpatch天线模块；
[0018]图2A示出根据本发明一实施例的平面等角螺旋天线的结构图；
[0019]图2B示出夹角α的示意图；
[0020]图3示出根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线的谐振带宽图；
[0021]图4示出根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线的阻抗曲线图；
[0022]图5示出根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线E面辐射增益方向图；
[0023]图6示出根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线H面辐射增益方向图。
【具体实施方式】
[0024]以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0025]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0026]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0027]实施例1
[0028]图2示出了根据本发明一实施例的平面等角螺旋天线10的结构图。如图2所示，平面等角螺旋天线10可包括:衬底11;第一辐射臂12和第二辐射臂13，铺设于衬底11的顶面(所述一面)，第一辐射臂12和第二辐射臂13自起始端向外以螺旋方式分布；同轴电缆馈电部件14，在所述起始端与第一辐射臂12和第二辐射臂13连接;其中，第一辐射臂12与第二辐射臂13在起始端的夹角α为:0° <α<180°，或180° <α〈360°。
[0029]本发明实施例的平面等角螺旋天线，采用两辐射臂的夹角α为:0°〈α〈180°，或180°<α<360°，该夹角α是两个辐射臂在各自的起始端的切线之间形成的夹角(如图2Β所示)，这使天线谐振模式变为非平衡式谐振，因此可直接采用同轴电缆馈电，从而节省了巴伦的设计，降低了天线系统设计复杂度。由于省略了巴伦，可以在厚度上减少天线的尺寸，同时可以利用天线的两条辐射臂的缝隙耦合特性减少天线的横向尺寸，在保证性能稳定性的前提下，使天线设计简洁，更加小巧轻便。
[0030]本发明实施例的平面等角螺旋天线可以作为GPS天线的辐射体，规避了常规的宽带平面等角螺旋天线的平衡对称工作特性。本发明实施例的平面等角螺旋天线可采用单极子天线的馈电方式和缝隙天线的谐振模式，既省略了宽频带螺旋天线繁杂而庞大的巴伦设计过程减小了天线高度，又可通过调整两辐射臂间的缝隙增加耦合效果，使天线谐振面积变小，缩小了横向天线面积;优点是减小了天线面积和重量，利于安装到小型商用无人机使用。
[0031 ]在一个示例中，夹角α可为120°，以使得天线谐振频率接近GPS信号频率。
[0032]在一个示例中，平面等角螺旋天线的两个辐射臂的外形是螺旋角度的函数，可由螺旋角度来确定。辐射臂的具体形状可以根据设计需要来确定，本发明对此不作限制。
[0033]以圆极化GPS天线作为平面等角螺旋天线的一个例子，可利用平面等角螺旋天线的螺旋旋向(左旋或者右旋)来决定天线圆极化类型(左手螺旋圆极化或者右手螺旋圆极化)，如图2所示的示例中，平面等角螺旋天线10为右手螺旋圆极化GPS天线。
[0034]在一个示例中，如图2所示，平面等角螺旋天线10的衬底11可以是聚合物衬底，其相对于陶瓷衬底质量更轻，更适于无人机搭载。在一个示例中，衬底11可由介电常数ξ为4.4的聚四氟乙烯构成。衬底11的厚度可例如为Imm左右(例如0.8?1.2mm)或其他需要的厚度。采用厚度较小、介电常数ξ为4.4的聚四氟乙烯作为衬底，克服了常见的陶瓷GPS patch天线的以陶瓷作为衬底而产生的重量和体积大的缺点，更适合以小巧便携为目标的消费级无人机的导航需要。
[0035]可在衬底11的顶面铺设铜箔线作为第一辐射臂12和第二辐射臂13，第一辐射臂12和第二辐射臂13的臂长可介于工作辐射波在自由空间中的波长的二分之一和所述工作辐射波在衬底中的波长的二分之一之间，所述工作辐射波的频率对应于所述平面等角螺旋天线的谐振频率。本发明实施例的平面等角螺旋天线工作于一个波长附近，天线辐射/接收效率较高。
[0036]以GPS信号的辐射波为工作辐射波为例，其GPS信号的谐振频率为f=1575.42Mhz，经计算，6?3信号的辐射波在自由空间的波长为人=(:八=3.0*108/(1575.42*106)=0.19(m)，由于平面等角螺旋天线1工作在自由空间和衬底11之间，GPS信号的辐射波在衬底中的波长约为& =人/(|相1/2)=90.9臟;因此，可取每条辐射臂长L为:W2<L<X/2。每条辐射臂长L可为50mm?7 Omm，优选地，可取L = 60mm作为天线福射臂的初始值，通过优化，可取右手螺旋圆极化GPS天线为衬底尺寸为40(长)*40(宽)*lmm(厚度)的平面等角螺旋天线，其中第一辐射臂12与第二辐射臂13在起始端的夹角α可为120°。
[0037 ]本实施例中的同轴电缆馈电部件14是用于与同轴电缆相连接的部件，本发明对同轴电缆馈电部件14的具体形状不作限制，只要其能够与所要连接的同轴电缆相匹配即可，例如，同轴电缆馈电部件14可以是能够与同轴电缆的内导体导电连接的导电接触点。同轴电缆馈电部件14的位置可以是根据设计需要的任意位置，只要其能够与第一辐射臂12与第二辐射臂13在起始端连接即可，这种连接使得在同轴电缆馈电部件14与同轴电缆连接时，第一辐射臂和第二辐射臂与同轴电缆的内导体电连接。举例来说，如图2Α所示，同轴电缆馈电部件14可位于衬底11的相对于第一辐射臂12与第二辐射臂13的另一侧，并通过例如衬底上的通孔与第一辐射臂12与第二辐射臂13的起始端导电连接。
[0038]图3示出了根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线的谐振带宽图。如图3所示，该天线的谐振正好落于1575.4Mhz处，驻波很好，满足圆极化GPS天线的谐振需求。
[0039]图4示出了根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线的阻抗曲线图。如图4所示，在中心频率1.575Ghz处特征阻抗约32欧姆，可在同轴电缆与射频功率放大器之间增加Π型匹配电路来弥补失配损失。
[0040]图5示出了根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线E面辐射增益方向图，如图5所示，该GPS天线为定向辐射/接收，满足无人机GPS天线的辐射/接收要求，适用于无人机导航。
[0041]图6示出了根据本发明一实施例的右手螺旋圆极化GPS天线H面辐射增益方向图，如图6所示，该GPS天线沿两条辐射臂旋转方向辐射最强。
[0042]实施例2
[0043]本发明实施例的一种无人机(或称为无人驾驶飞行器)，可承载实施例1中的平面等角螺旋天线，用于无人机导航，无人机采用实施例1中的平面等角螺旋天线，有利于减少系统功耗，增长无人机的电池的使用寿命。
[0044]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种平面等角螺旋天线，其特征在于，所述平面等角螺旋天线包括: 衬底； 第一辐射臂和第二辐射臂，铺设于所述衬底的一面，所述第一辐射臂和第二辐射臂自起始端向外以螺旋方式分布； 同轴电缆馈电部件，在所述起始端与所述第一辐射臂和所述第二辐射臂连接； 其中，所述第一辐射臂与所述第二辐射臂在起始端的夹角α为:0°〈α〈180°，或180°〈α〈360。ο2.根据权利要求1所述的平面等角螺旋天线，其特征在于，所述第一辐射臂和所述第二辐射臂的臂长介于工作辐射波在自由空间中的波长的二分之一和所述工作辐射波在衬底中的波长的二分之一之间，所述工作辐射波的频率对应于所述平面等角螺旋天线的谐振频率。3.根据权利要求2所述的平面等角螺旋天线，其特征在于， 所述工作辐射波的频率为1575.42MHz; 所述工作辐射波在自由空间中的波长为0.19m； 所述工作福射波在衬底中的波长为90.9mm； 所述第一福射臂和所述第二福射臂的臂长为50mm?70mm。4.根据权利要求1所述的平面等角螺旋天线，其特征在于，所述衬底为聚合物衬底。5.根据权利要求4所述的平面等角螺旋天线，其特征在于，所述衬底由介电常数ξ为4.4的聚四氟乙烯构成。6.根据权利要求1所述的平面等角螺旋天线，其特征在于，所述衬底的长为40mm，宽为40mm，厚度为Imm。7.根据权利要求1所述的平面等角螺旋天线，其特征在于，所述夹角α为120°。8.—种无人机，其特征在于，所述无人机承载有根据权利要求1至7中任意一项所述的平面等角螺旋天线。
【文档编号】H01Q1/38GK105896069SQ201610221945
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】李彪
【申请人】北京博瑞爱飞科技发展有限公司