一种调整螺旋天线直径的装置及螺旋天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种调整螺旋天线直径的装置及螺旋天线，该装置包括螺旋支架、转轴、撑杆，转轴的轴线与螺旋支架的轴线重合，撑杆包括固定结构、滑环、撑杆本体和撑杆穿线环，转轴周向上设有若干个凸起板，固定结构固定在凸起板上，滑环卡在螺旋支架上，可沿螺旋支架滑动，用于形成螺旋天线的导线穿过每个撑杆上的撑杆穿线环，转轴步进电机、引线收放步进电机均与控制电路连接。本实用新型螺旋天线设置在撑杆上，随着转轴步进电机旋转，螺旋天线直径会发生变化，同时引线收放步进电机旋转可实现软导线的收放，从而实现了螺旋天线直径的自动调整，解决了现有螺旋天线工作模式单一的问题。
【专利说明】
-种调整螺旋天线直径的装置及螺旋天线
技术领域
[0001] 本实用新型设及天线研究领域，特别设及一种调整螺旋天线直径的装置及螺旋天 线。
【背景技术】
[0002] 螺旋天线是天线的一种，可W收发空间中旋转的偏振电磁信号。运种天线通常用 在卫星通讯的地面站中，由金属导线或金属管绕制成螺旋形，用非平衡馈线，比如同轴电缆 馈电，同轴线内导体与螺旋线的一端相接，外导体与地板相接。
[0003] 螺旋天线通常是由多个螺旋部分和一个反射器组成。反射器呈圆形或方形。螺旋 部分的半径在八分之一到四分之一波长之间。天线的最小尺度取决于所采用的低频信号频 率大小，天线的福射模式与天线的直径相关。。因此，对于无线网络协调器上的螺旋天线，要 完成对所有终端节点的无线信号数据传输，保持信号场强均满足要求，就需要对螺旋天线 的直径进行适应性的调整，实现螺旋天线福射模式的改变。
[0004] 参见图1(a)、（b)、螺旋天线主要包括如下几个关键参数：螺旋天线的直径D、螺旋 天线的周长C、螺距S、螺距角α、一圈的长度L、圈数N、轴长A、螺旋导线直径d。上述参数之间 存在W下关系：
[0006] 若S^O(a = 〇°)，螺旋天线蚁化成环天线;若D^0(a = 90°)，螺旋天线蚁化成线天线。
[0007] 螺旋天线根据D/λ值范围的不同，分为Ξ种福射模式：
[000引1.法向模式:DA<0.18,其最大福射方向为垂直于螺旋天线的轴线。
[0009] 2.轴向模式:0.25 < D/λ < 0.46，其最大福射方向为螺旋天线的轴线。
[0010] 3.圆锥形模式:DA〉〇.5,其最大福射方向为沿螺旋天线的轴线W锐角旋转的圆。
[0011] 在对无线网协调器螺旋天线设计时，需要通过螺旋天线能对下属所有无线终端节 点进行数据的发送和接收。由于各个无线终端节点所处的位置不同，使协调器接收到的无 线信号场强不同，有的地方高，有的地方低。现有无线协调器的螺旋天线多为固定的法向模 式，对天线轴向和偏轴向方向的无线终端节点收发信号最弱，因此导致无线网络协调器无 法与此方向的无线终端节点连接，影响无线网的数据传输。
[0012] 针对上述问题，研究一种可工作于多种福射模式，使得无线网的协调器螺旋天线 可对所管理的下属所有无线终端节点均能进行数据传输的螺旋天线具有重要应用价值。 【实用新型内容】
[0013] 本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种调整螺旋天线 直径的装置，该装置可W随机改变螺旋天线的直径，从而改变螺旋天线的福射模式，使螺旋 天线可W在法向模式、轴向模式、圆锥形模式下任意转换，解决了现有螺旋天线工作模式单 一的问题。
[0014] 本实用新型的另一目的在于提供一种包括上述装置的螺旋天线，该天线直径可 调，从而可根据无线网络协调器接收到的信号场强的不同实时调整天线的福射方向，提高 接收信号的场强。
[0015] 本实用新型的目的通过W下的技术方案实现:一种调整螺旋天线直径的装置，包 括螺旋支架、转轴、撑杆，所述转轴的轴线与螺旋支架的轴线重合，所述撑杆包括固定结构、 滑环、撑杆本体和撑杆穿线环，所述转轴周向上设有若干个凸起板，所述固定结构固定在凸 起板上，滑环卡在螺旋支架上，可沿螺旋支架滑动，所述用于形成螺旋天线的导线采用软导 线，导线穿过每个撑杆上的撑杆穿线环，螺旋天线每一圈均分别由若干个撑杆支撑;所述转 轴在转轴步进电机驱动下旋转;所述导线与非磁性引线连接，非磁性引线设置在收线转轮 上，收线转轮由引线收放步进电机驱动旋转;所述转轴步进电机、引线收放步进电机均与控 制电路连接。本实用新型螺旋天线设置在撑杆上，随着转轴步进电机旋转，螺旋天线直径会 发生变化，同时引线收放步进电机旋转可实现软导线的收放，从而实现了螺旋天线直径的 自动调整。
[0016] 优选的，所述转轴上沿周向方向上，每隔45度设置一凸块板，一周共设置八个凸块 板。由于撑杆一端是固定在转轴的凸块板上，所W螺旋天线每圈由8个撑杆支撑，运样加上 软导线自身的曲率，与现有技术中采用硬导线制作的螺旋天线相近，二者能够达到近乎相 同的效果。
[0017] 更进一步的，所述撑杆中的固定结构包括一对夹爪，在夹爪内侧顶端设有一圆形 凸块，所述转轴上每个凸块板上排列有对称的圆孔，所述圆形凸块固定在上述圆孔内。转轴 和撑杆通过该结构实现固定，使得撑杆只能进行上下180度转动，左右不能移动，且该连接 方式具有加工方便、拆卸简单的优点。
[0018] 优选的，所述装置外侧设有一介质罩，介质罩内部上端设有一用于固定转轴的滚 珠轴承。介质罩可W保护内部结构并起到防尘的作用，滚珠轴承可W保证转轴只进行旋转 动作。
[0019] 更进一步的，所述滚珠轴承采用陶瓷轴承。W减小对电磁波的遮挡。
[0020] 优选的，所述装置还包括一底座，所述底座包括底座盖板和底座盒，所述控制电 路、转轴步进电机、引线收放步进电机均设置在座盖板和底座盒形成的密闭空间内。采用该 底座可W保护电机的使用安全，尽量减少外界环境对装置的影响。
[0021] 更进一步的，所述底座采用金属材料制成，底座盒上开有对称的四个弧形孔，用于 与介质罩上的卡扣连接。运种连接机构具有拆卸方便的优点，同时还起到螺旋天线反射器 的作用。
[0022] 优选的，所述控制电路固定在底座盒内，通过防水接头与外部设备相连。
[0023] 优选的，所述装置中各个结构均采用塑料材料制成。从而可W减小材料对电磁波 的衰减。
[0024] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0025] 1、本实用新型装置能够调整螺旋天线的直径，可W应用在无线网络协调器的螺旋 天线上，能够改变螺旋天线的福射模式，使得螺旋天线可W在法向模式、轴向模式、圆锥形 模式下任意转换，解决了现有螺旋天线工作模式单一的问题。
[0026] 2、通过采用本实用新型提出的调整螺旋天线直径的装置，得到了一种新的螺旋天 线，该螺旋天线的福射模式可w根据实际应用，通过该装置进行实时的调整，能够适应于更 广泛的自适应智能螺旋天线的场合。
【附图说明】
[0027]图1(a)为现有螺旋天线的几何图形。
[00%]图1(b)为现有螺旋天线其中一圈展开的几何图形。
[0029] 图2为本实施例所述装置的内部结构示意图。
[0030] 图3为本实施例所述装置的分解结构示意图。
[0031 ]图4为本实施例所述装置中转轴的立体结构示意图。
[0032] 图5为本实施例所述装置中撑杆的结构示意图。
[0033] 图6为本实施例所述装置中底座处的结构示意图。
[0034] 图7(a)为本实施例所述装置中撑杆处于最大展开状态时的结构示意图。
[0035] 图7(b)为本实施例所述装置中撑杆处于收缩状态时的结构示意图。
[0036] 图8是本实施例所述装置的工作流程示意图。
[0037] 图9是本实施例所述装置工作原理示意图。
[003引图1-图9中，1-介质罩、2-转轴、3-转轴步进电机、4-底座盒、5-防水接头、6- PCB电路板、7-铜螺柱、8-底座盖板、9-滚珠轴承、10-螺旋支架、11-撑杆、12-引线收 放步进电机固定架、13-引线收放步进电机、14-凸块板、1101-圆形凸块、1102-夹爪、 1103-滑环、1104-撑杆本体、1105-撑杆穿线环。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0040] 实施例1
[0041] 参见图2-图6,本实施例一种调整螺旋天线直径的装置包括螺旋支架、转轴、撑 杆、介质罩、转轴步进电机、引线收放步进电机、控制电路、底座等。其中底座包括底座盖板 和底座盒，控制电路固定在一PCB电路板上，所述PCB电路板、转轴步进电机、引线收放步进 电机均设置在底座内，其中引线收放步进电机通过引线收放步进电机固定架固定在底座 上。介质罩设置在底座上方，二者通过卡扣连接。控制电路通过防水接头与外部设备相连。 本实施例中，底座采用金属材料，滚珠轴承采用陶瓷轴承，剩余其他结构均采用塑料制成， 从而减小材料对电磁波的衰减。下面结合附图，对装置中的重点部件进行详细的说明。
[0042] 参见图2、3、4，转轴的轴线与螺旋支架的轴线重合，本实施例中，转轴沿周向方向 上，每隔45度设置一凸块板，一周共设置八个凸块板，每个凸块板上排列有对称的圆孔。转 轴上方通过滚珠轴承与介质罩相连，下方与转轴步进电机相连，在转轴步进电机的驱动下 进行旋转。
[0043] 参见图5,本实施例撑杆包括固定结构、滑环、撑杆本体和撑杆穿线环，运里的固定 结构包括一对夹爪和圆形凸块，圆形凸块设置在夹爪内侧顶端。在进行工作时，圆形凸块固 定在上述凸块板上的圆孔内，滑环卡在螺旋支架上，可沿螺旋支架滑动，用于形成螺旋天线 的导线采用软导线，导线穿过每个撑杆上的撑杆穿线环。由于螺旋天线每一圈均分别由8个 撑杆支撑，所W撑杆圆形凸块的固定作用W及螺旋支架的导向作用下，滑环只能上下180度 转动，左右不能移动，其运动模式参见图7(a)、7(b)。
[0044] 参见图3、6,在转轴发生旋转时，要调整螺旋天线的直径，就需要将螺旋天线的导 线进行收放，所W将导线与非磁性引线连接，非磁性引线设置在收线转轮上，收线转轮由引 线收放步进电机驱动旋转。引线收放步进电机与PCB电路板上的控制电路相连。
[0045] 利用上述装置调整螺旋天线直径的方法，步骤参见图8,由控制电路控制完成，包 括:接收当前无线网络协调器螺旋天线上收到的无线终端节点信号强度(RSSI)，将该信号 强度与预设的接收口限进行比较，若大于接收口限，则螺旋天线不动作，否则启动转轴步进 电机和引线收放步进电机，调整螺旋天线的直径;在调整过程中不断监测当前收到的无线 终端节点信号强度，一旦当前收到的无线终端节点信号强度大于接收口限，则停止转轴步 进电机和引线收放步进电机，完成调整。下面结合图8对各个步骤进行具体说明。
[0046] S1:设当前无线网络协调器对应管理Q个无线终端节点，读取当前第q个无线终端 节点的信号强度。
[0047] S2:判断当前无线终端节点的信号强度是否大于预设的接收口限，如果大于，则执 行步骤S3,否则执行步骤S4。
[0048] S3:说明当前的信号强度满足应用需求，所W保持当前的螺旋天线直径不变，同时 保存该无线终端节点数据和螺旋天线直径数据，W便于查询备案和调用。
[0049] 然后读取第q+1个无线终端节点的信号强度，重复步骤S2,直到所有无线终端节点 均被读取为止。
[0050] S4:说明当前的信号强度不能满足应用需求，需要对螺旋天线直径进行调整。可W 根据经验或者采用步进的方式，输入新的要达到的螺旋天线直径，然后根据螺旋天线直径、 转轴步进电机的旋转角度和角速度、引线收放步进电机的旋转角度和角速度之间的关系， 对转轴步进电机和引线收放步进电机发出控制命令。
[0051] S5:当前螺旋天线直径减小时，先启动转轴步进电机再启动引线收放步进电机，当 前螺旋天线直径增大时，先启动引线收放步进电机再启动转轴步进电机，转轴步进电机按 照设置的角速度、旋转角度进行旋转；引线收放步进电机按照计算的角速度、旋转角度进行 旋转;旋转到指定位置后，执行步骤S2。
[0052] 在实际应用中，还可W在转轴步进电机和引线收放步进电机执行命令过程中，实 时地检测当两步进电机当前旋转角度，一旦当前收到的节点信号强度大于接收口限，则停 止转轴步进电机和引线收放步进电机，然后执行步骤S3,从而可W在设定值不准确时，仍能 够自动寻找到合适的直径，节省调整时间。
[0053] 下面结合图9对本实施例方法的工作原理进行说明，推导出螺旋天线直径、引线收 放步进电机的角速度和旋转角度、螺距角和馈线长度的计算公式。
[0054] (1)螺旋天线直径与转轴步进电机旋转角度
[0055] 设撑杆长度为B(bar)，螺旋支架螺距为S，转轴的直径为Φ，螺旋支架的半径为h， 螺旋支架圈数为n，螺旋天线最小圈数Nmin与B和S之间的关系为：
[0056]
;
[0化7] 其中，Nmin为整数。
[0058]设转轴步进电机在某时刻转动的角度为目1(弧度），则根据相似Ξ角形的关系有： [0化9]
[0060]其中:D为螺旋天线的直径，b为滑环与撑杆原点（图9中的Ρ处)间的距离，因：
[0064] 其中：O<0^Nmin。
[0065] 目P，当转轴步进电机转动任意角度θι，就有一个与之对应的螺旋天线的直径D。由 于直径变化会引起螺旋天线的圈数和有效长度发生变化，在螺旋天线底座处设计了一个引 线收放步进电机，用于与转轴步进电机同步使用，将非磁性引线(尼龙线等）与软导线连接 后，由引线收放步进电机带动，实现螺旋天线的软导线收放线功能。
[0066] (2)旋天线直径与引线收放步进电机角速度《2和旋转角度θ2
[0067] 因为引线收放步进电机与转轴步进电机同步使用，收放螺旋天线软导线的线速度 相等，即：
[006引 ω!0=ω 化
[0069] 其中，ωι为转轴步进电机匀速转动角速度;D为螺旋天线直径;r为引线收放步进 电机收线转轮收线时线到圆屯、点的半径，其值为：
[0070]
[0071] 其中，rmin为收线转轮的内部半径;k为引线缠满收线转轮一层的圈数，由收线转轮 的宽度和引线的直径确定；i为收线和放线时转轮收放线的圈数，由螺旋天线的总长度、 rmin、k确定;餐为引线的直径;m为收线转轮收满引线的最大圈数。
[0074] 目P，当转轴步进电机的角速度ωι和收线转轮的内部半径rmin-定时，收线放机步 进电机的角速度随转轴步进电机旋转角度θ?变化而变化。
[0075] 因为；
[0076]
[0077] 其中，θ〇ι为转轴步进电机的初始转角，t为转轴步进电机W ω 1匀速角速度从θ〇ι转 到曰1所需要的时间
[007引
[0079] 其中，θ〇2为引线收放步进电机的初始转角，t为引线收放步进电机Κω 2角速度从 θ〇2转到θ2(弧度)所需要的时间，与转轴步进电机W匀速角速度ωι从θ〇ι转到θι所需要的时 间相同。
[0080] (3)螺距角和馈线长度 [0081 ]螺旋天线螺距角为：
[0082]
[0083] 目Ρ，当转轴步进电机旋转的角度一定时，螺旋天线的螺距角一定。
[0084] 根据直角Ξ角形的关系，可得螺旋天线馈线长度为：
[0085]
[0086] 其中，Η为最下面撑杆原点到底座的距离。即，螺旋天线馈线长度Η'数值随天线直 径D的变化而改变。
[0087] 举下面一个示例。图2所示为所设计的无线网协调器上的能自动调整直径螺旋天 线外形结构器外形结构，该螺旋天线的工作频率为F = 915MHz。
[0088] 1.自动调整直径螺旋天线的固定参数
[0089] (1)螺距 S = 22mm
[0090] (2)螺旋导线直径d = 1.5mm，导线材质:铜
[0091 ] (3)金属接地板直径化=200mm，接地板材质:不诱钢
[0092] (4)工作频率F = 915MHz，则波长ス = ^ = 330""" '915
[0093] (5)撑杆长度 B = 80mm
[0094] (6)转轴的直径Φ =12mm
[00M] (7)螺旋支架半径h = 20mm
[0096] (8)转轴步进电机转角θι的角度范围为:0-3(弧度）
[0097] (9)收线转轮的内部半径rmin = 3mm
[0098] (10)引线缠满收线转轮一层的圈数k = 9
[0099] (11)引线的直径r二0.5饼/?
[0100] (12)收线转轮收满引线的最大圈数m=16。
[0101] 外径 28mm
[0102] 2.螺旋天线的可变参数
[0103] (1)天线直径D的变化范围
[0104] 将螺旋天线的固定参数代入公式得：
[0110] 结论。转轴步进电机转角θι的角度范围为0-3(弧度）时，螺旋天线直径D的变化范 围为58mm~172mm，即0.1 75<DA<0.52，螺旋天线可W在法向模式、轴向模式、圆锥形模式Ξ 种模式中任意一种模式下工作。
[0111] (2)螺距角α的变化范围
[0112] 将螺旋天线的固定参数代入公式得：
[0113]
[0114] 将D = 58mm~172mm分别代入上式得，螺旋天线的螺距角的变化范围为：
[0115]
[0116] α = 6.8°~2.3°
[0117] 结论:螺旋天线直径D的变化范围为58mm~172mm，对应螺距角的变化范围为:6.8° ~2.3。。
[0118] (3)螺旋天线圈数N的变化范围
[0119] 1)螺旋天线一圈最长的长度
[0120] 螺旋天线的最长的周长为:Cmax =祉Wx = 3.14X172 S 540mm
[0121] 则螺旋天线一圈最长的长度为：
[0122] 2)螺旋天线最小圈数Nmin
[0123] 取撑杆长度B = 80mm，则可得：
[0124]
[0125] Nmin取整数，确定Nmin = 3
[0126] 3)因天线导线是等长的，贝U
[0127]
[012引所W当θι = 3时有：
[0129]结论:转轴步进电机转角θι的角度范围为〇-3(弧度）时，螺旋天线圈数Ν的变化范 围为3-13。
[0130] (4)螺旋天线馈线引线长度Η'的确定
[0131] 将Η=96代入公式得
[0132]
[0133] 结论:螺旋天线馈线引线长度Η'由转轴步进电机的旋转角度θι确定，当转轴步进 电机转角Θ1的角度范围为0-3 (弧度)时，Η '长度在96mm-20mm范围内变化。
[0134] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，包括螺旋支架、转轴、撑杆，所述转轴的 轴线与螺旋支架的轴线重合，所述撑杆包括固定结构、滑环、撑杆本体和撑杆穿线环，所述 转轴周向上设有若干个凸起板，所述固定结构固定在凸起板上，滑环卡在螺旋支架上，可沿 螺旋支架滑动，用于形成螺旋天线的导线采用软导线，导线穿过每个撑杆上的撑杆穿线环， 螺旋天线每一圈均分别由若干个撑杆支撑;所述转轴在转轴步进电机驱动下旋转;所述导 线与非磁性引线连接，非磁性引线设置在收线转轮上，收线转轮由引线收放步进电机驱动 旋转;所述转轴步进电机、引线收放步进电机均与控制电路连接。2. 根据权利要求1所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述转轴上沿周向方 向上，每隔45度设置一凸块板，一周共设置八个凸块板。3. 根据权利要求2所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述撑杆中的固定结 构包括一对夹爪，在夹爪内侧顶端设有一圆形凸块，所述转轴上每个凸块板上排列有对称 的圆孔，所述圆形凸块固定在上述圆孔内。4. 根据权利要求1所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述装置外侧设有一 介质罩，介质罩内部上端设有一用于固定转轴的滚珠轴承。5. 根据权利要求1所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述装置还包括一底 座，所述底座包括底座盖板和底座盒，所述控制电路、转轴步进电机、引线收放步进电机均 设置在座盖板和底座盒形成的密闭空间内。6. 根据权利要求4所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述滚珠轴承采用陶 瓷轴承。7. 根据权利要求5所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述底座采用金属材 料制成，底座盒上开有对称的四个弧形孔，用于与介质罩上的卡扣连接。8. 根据权利要求5所述的调整螺旋天线直径的装置，其特征在于，所述控制电路固定在 底座盒内，通过防水接头与外部设备相连。9. 一种螺旋天线，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述装置。
【文档编号】H01Q11/08GK205429170SQ201620157160
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】董兵, 饶瑞福
【申请人】广东轻工职业技术学院