一种小型三元多面化四臂螺旋天线阵的制作方法

本发明涉及一种天线结构，具体是指一种小型三元多面化的四臂螺旋天线阵，属于通信和导航技术领域。

背景技术：

随着智能技术的日益发展，船舶智能化逐渐成为全球航运的大趋势。导航作为智能航海的重要技术组成之一，除了具备高质量、高智能化的电子设备外，也离不开高精度定位。因此，实现连续实时的精准定位成为海事通信及智能航行领域亟待解决的问题之一。

自2002年起，为了实现定位、导航和授时服务的目标，继美国全球定位系统(gps)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(glonass)和欧盟伽利略系统(galileo)之后，我国自主研发了北斗卫星通信系统。历经了十多年的研究和完善，北斗系统日趋成熟，不仅为亚太区域提供服务，也与其他的通信导航系统协同作用，在海事通信和国防等领域发挥着重要的作用。尤其在海上交通运输行业，其应用更是不容小觑。

因此，提高北斗系统的不间断实时定位精度，对于提高智能船舶导航定位能力和海上搜救成功率极为重要。在此过程中，天线作为无线电通信中收发电磁波的前端部件，对整个系统的通信质量有着直接的影响。随着科技的发展和智能化的需要，北斗导航系统不断改进，同时暴露出了现存船载北斗天线的一系列不足。具体包括：

1、在大风浪的极端天气中，现有的船载天线在船舶倾角较大时，其低仰角性能较差，通信不稳定；

2、可选的通信卫星较少，难以获得较好的定位几何结构；

3、占用空间较大，对船舶构造提出要求，且易受海上大风浪等恶劣天气的影响；

4、天线工作频带较窄，通信兼容能力较差。

基于上述，本发明提出一种小型三元多面化四臂螺旋天线阵，安装在航行船舶上，以解决现有技术中存在的缺点和限制。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三元多面化四臂螺旋天线阵，缩小天线占用船体空间，拓宽通信频带，使天线水平全方向覆盖，垂直方向有良好的低仰角特性，提高船用北斗系统定位精度、海上应急搜救能力及智能船舶导航定位能力。

为了达到上述目的，本发明提出一种小型三元多面化四臂螺旋天线阵，包含：四臂螺旋天线体组件，发射和接收信号，由三个自相移的四臂螺旋天线组成；三个可调式开槽巴伦组件，分别连接各个四臂螺旋天线，其开槽长度可调；反射面组件，采用金属三棱锥体，具有三个反射面，每个反射面上安装有馈电端子；功分组件，通过每个反射面上的馈电端子，分别与各个四臂螺旋天线连接。

所述的金属三棱锥体的每个反射面与水平面之间的夹角为30°，每个四臂螺旋天线均垂直安装在各个反射面上，且与馈电端子的一端连接。

所述的馈电端子设置在反射面上各个顶角角平分线的交点处。

所述的公分组件包含：一分三功分器，其底端设置激励端口，顶端设置三个相位差为120°的天线端口，每个天线端口分别与对应的反射面上的馈电端子的另一端连接。

所述的可调式开槽巴伦组件包含：开槽铜管，其顶部中心开设凹槽，其外壁上设置外螺纹；铜环，套设在开槽铜管的外壁上，其内壁上设置与外螺纹相匹配的内螺纹，通过将该铜环绕开槽铜管外壁上的外螺纹旋转，调节铜环的上下位置，当电流流过铜环时，铜环的下端短路，使得电流流经开槽铜管的开槽长度改变。

每个所述的四臂螺旋天线包含：内导体，位于四臂螺旋天线的轴向中心，且设置在开槽铜管的凹槽内；中间介质层，呈空心圆柱体状，外壁上通过粘接铺设柔性pcb板，且套设在开槽铜管的外部；第一、第二、第三和第四螺旋臂条，依次均匀间隔刻设在柔性pcb板上；其中，第一螺旋臂条和第三螺旋臂条的长度相等，且长度为大于通信频段1/8个波长；第二螺旋臂条和第四螺旋臂条的长度相等，且长度为小于通信频段1/8个波长；活动顶负载，设置在四臂螺旋天线的顶端。

所述的中间介质层采用陶瓷材料制成，呈空心圆柱体状。

所述的第一螺旋臂条和第二螺旋臂条为相邻设置，且在四臂螺旋天线的顶端连接形成第一组辐射振子组；该第一组辐射振子组与内导体连接；所述的第三螺旋臂条和第四螺旋臂条，为相邻设置，且在四臂螺旋天线的顶端连接形成第二组辐射振子组；该第二组辐射振子组通过接线柱与对应的可调式开槽巴伦组件的开槽铜管的顶端连接；其中第一组辐射振子组与第二组辐射振子组之间彼此绝缘。

每个所述的四臂螺旋天线还包含：阻抗变换器，设置在开槽铜管的凹槽内，位于内导体的下方，该阻抗变换器的顶端与内导体的底端相连接，底端与中间介质层的中心连接。

所述的活动顶负载表面刻有两条金属铜质的带条环路，分别连接两组辐射振子组；可沿四臂螺旋天线的轴向左右旋转该活动顶负载，调节其安装在四臂螺旋天线顶端的位置。

综上所述，本发明所述的小型三元多面化四臂螺旋天线阵，通过调节可调式开槽巴伦组件，能够动态改变天线的频带特性和辐射特性；通过施加活动顶负载，改变天线辐射特性，增加天线低仰角性能指标；通过施加陶瓷空心介质，来减小天线尺寸；通过组建三元天线阵，展宽天线频带和增强低仰角增益性能。

因此，本发明具有非常好的通信与导航兼容性，既避免了原有单天线体积大，工作频带窄且不可调，也保证了天线辐射的低仰角增益、上半球方向全覆盖和水平全向覆盖特性，可用于海事卫星系统通信和智能船舶高精度定位导航系统，适用于北斗船载天线和inmarsat船载天线等海事通信领域。

附图说明

图1为本发明中的小型三元多面化四臂螺旋天线阵的结构示意图；

图2a为本发明中的四臂螺旋天线的俯视图；

图2b为本发明中的四臂螺旋天线的内部剖视图(未包括中间层)；

图3为本发明中的四臂螺旋天线中两组辐射振子的馈电与圆极化的示意图；

图4为本发明中的可调式开槽巴伦组件的结构示意图；

图5为本发明中的功分组件的结构示意图；

图6为本发明中的小型三元多面化四臂螺旋天线阵仿真后得到的回波损耗结果示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图6，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。

如图1所示，为本发明提供的小型三元多面化四臂螺旋天线阵，包含：四臂螺旋天线体组件，用以发射和接收信号，由三个自相移的四臂螺旋天线2组成；三个可调式开槽巴伦组件11，分别连接各个四臂螺旋天线2，其开槽长度可调；反射面组件，采用金属三棱锥体3，具有三个反射面，每个反射面上安装有馈电端子6；功分组件，通过每个反射面上的馈电端子6，分别与各个四臂螺旋天线2连接。

所述的金属三棱锥体3的每个反射面与水平面之间的夹角为30°，每个四臂螺旋天线2均垂直安装在各个反射面上，且与馈电端子6的一端连接。由于金属三棱锥体3的各个反射面的作用，从而能够确保天线的低仰角增益。

所述的馈电端子6设置在反射面上各个顶角角平分线的交点处。

在本发明的优选实施例中，所述的金属三棱锥3的底面是边长为65mm的正三角形，厚1.5mm。

如图5所示，所述的公分组件包含：一分三功分器，其底端设置激励端口14，顶端设置三个相位差为120°的天线端口17，每个天线端口17分别与对应的反射面上的馈电端子6的另一端连接；因此，每个天线端口17能够接收来自激励端口14传输的相位差相差120°的信号，以实现天线终端设备不同的功能要求。

所述的公分组件还包含相移线18，分别连接各个天线端口17，其能够调节并使得与各个反射面连接的天线端口17之间的相位差确保为120°，保证三元多面化四臂螺旋天线阵更好的实现圆极化信号的发射与接收。

如图4所示，所述的可调式开槽巴伦组件11包含：开槽铜管15，其顶部中心开设凹槽，其外壁上设置外螺纹；铜环16，套设在开槽铜管15的外壁上，其内壁上设置与外螺纹相匹配的内螺纹，通过将该铜环16绕开槽铜管15外壁上的外螺纹旋转，以调节铜环16的上下位置。当电流流过铜环16时，铜环16的下端短路，使得电流流经开槽铜管15的开槽长度发生改变，从而实现对开槽巴伦组件的开槽长度的控制。电流从可调式开槽巴伦组件11流过的距离和从内导体10流过的距离相差1/2的波长，两组辐射振子组在接线柱9的电位正好相差180°。若一组辐射振子组的对地电压为ua，另一组辐射振子组的对地电压为ub，则有ua＝-ub。因此本发明中该沿轴向对称的结构保证了对称辐射振子臂上流过电流的对称，起到非平衡向平衡转换的同时，还具有扼流作用。

如图2a和图2b所示，每个所述的四臂螺旋天线2包含：内导体10，位于四臂螺旋天线2的轴向中心，且设置在开槽铜管15的凹槽内；中间介质层8，呈空心圆柱体状，外壁上通过粘接铺设柔性pcb(printedcircuitboard，印刷电路板)板4，且套设在开槽铜管15的外部；第一、第二、第三和第四螺旋臂条5，依次均匀间隔刻设在柔性pcb板4上；其中，第一螺旋臂条和第三螺旋臂条的长度相等，且长度为大于通信频段1/8个波长；第二螺旋臂条和第四螺旋臂条的长度相等，且长度为小于通信频段1/8个波长；也就是说，四条螺旋臂条5分为长度不同的两组，每组中的两条螺旋臂条5的长度相同，且相邻设置的两条螺旋臂条的长度不同；活动顶负载1，设置在四臂螺旋天线2的顶端。

所述的中间介质层8采用陶瓷材料制成，呈空心圆柱体状，陶瓷厚度为3mm～5mm。由于将陶瓷材料作为介质层具有较高的介电常数，并且因为其为空心结构，因而改变了原有的介电常数，使得四臂螺旋天线的尺寸能够明显减小。但是如果介质层厚度过厚会造成四臂螺旋天线的增益和效率降低，因此最终确定将天线尺寸缩小至原来的1/2～1/3，同时增益和效率也不至于大幅受损。

在本发明的优选实施例中，所述的柔性pcb板4的厚度为0.1mm。

如图2a所示，所述的第一螺旋臂条和第二螺旋臂条为相邻设置，且在四臂螺旋天线2的顶端连接形成第一组辐射振子组；该第一组辐射振子组与内导体10连接；所述的第三螺旋臂条和第四螺旋臂条，为相邻设置，且在四臂螺旋天线2的顶端连接形成第二组辐射振子组；该第二组辐射振子组通过接线柱9与对应的可调式开槽巴伦组件11的开槽铜管15的顶端连接；其中第一组辐射振子组与第二组辐射振子组之间彼此绝缘。

如图3所示，每组辐射振子组中的长度较短的螺旋臂条作为短辐射振子12，其长度超前谐振时长度约1/8个波长，而每组辐射振子组中的长度较长的螺旋臂条作为长辐射振子12，其长度约落谐振时长度约1/8个波长。因此相当于产生一个相对于谐振时有-45°相移的容性输入阻抗，以及相当于产生一个相对于谐振时有45°相移的感性输入阻抗。也就是说，每组辐射振子组中，两个辐射振子之间的电流相位差为约90°，而两组辐射振子组之间的电流相位差为约180°，从而实现了天线圆极化。

每个所述的四臂螺旋天线2还包含：阻抗变换器19，设置在开槽铜管15的凹槽内，位于内导体10的下方，该阻抗变换器19的顶端与内导体10的底端相连接，底端与中间介质层8的中心连接。

进一步，所述的阻抗变换器19由实心金属圆柱制成，用于实现激励端口14与天线端口17之间的匹配。根据阻抗匹配原理，通过阻抗变换器19以及调节改变开槽铜管15的开槽长度，即可改变阻抗特性，进而实现天线端口17与激励端口14之间的阻抗匹配。

所述的活动顶负载1通过连接螺丝7与柔性pcb板4连接。该活动顶负载1同样由柔性pcb材质制成，厚度为0.5mm。

所述的活动顶负载1表面刻有两条金属铜质带条环路，这两条带条环路用来分别连接两组辐射振子组。活动顶负载1在解除连接螺丝7的固定后，可沿四臂螺旋天线2的轴向左右旋转该活动顶负载1，从而调节其安装在四臂螺旋天线2顶端的位置，进而改变辐射方向，以改变对四臂螺旋天线2的电流扰动，从而改变天线方向。具体的，在调节活动顶负载1达到0°仰角时，四臂螺旋天线2的增益变大，波束变宽；当调节活动顶负载1达到-5°仰角时，四臂螺旋天线2的增益约为0db。因此，通过调节活动顶负载1，能够降低船体金属反射带来的影响，增加天线的低仰角增益，增强天线适应船体摇摆的能力，可在一定程度上适应船体摇晃，并且对于低仰角卫星有更好的接收与发射数据的效果。

由于过多的天线阵元会导致天线尺寸变大，耦合因子过多。因此，本发明考虑采用三个四臂螺旋天线的天线阵元构成天线阵列，并设置在金属三棱锥3的各个反射面的内心上。对本发明所述的小型三元多面化四臂螺旋天线阵进行仿真优化，数据结果请参见图6，综合选取合适的天线阵列，使其既可以接收尽可能多的卫星信号又可以大幅度抑制多径干扰，定位误差最小。利用四臂螺旋天线的横向尺寸小及波束宽度宽等优势，使得天线阵在大风浪天气情况下船舶发生大倾角时，仍能良好的工作。

综上所述，本发明所述的小型三元多面化四臂螺旋天线阵，通过调节可调式开槽巴伦组件，能够动态改变天线的频带特性和辐射特性；通过施加活动顶负载，改变天线辐射特性，增加天线低仰角性能指标；通过施加陶瓷空心介质，来减小天线尺寸；通过组建三元天线阵，展宽天线频带和增强低仰角增益性能。因此使得天线具有非常好的通信与导航兼容性，既避免了原有单天线体积大，工作频带窄且不可调，也保证了天线辐射的低仰角增益、上半球方向全覆盖和水平全向覆盖特性，可用于海事卫星系统通信和智能船舶高精度定位导航系统，适用于北斗船载天线和inmarsat船载天线等海事通信领域。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。