一種多層四臂螺旋天線系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多層四臂螺旋天線系統(tǒng)，屬于微波技術(shù)與天線技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動(dòng)衛(wèi)星通信技術(shù)和導(dǎo)航系統(tǒng)的迅速發(fā)展，成熟的定位和導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域，天線作為無(wú)線通信中關(guān)鍵裝置之一決定著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是否能夠正常發(fā)揮其作用。北斗手持定位設(shè)備要求天線具有寬波束圓極化和小型化等特點(diǎn)，常用的天線形式有多層微帶天線、高介電常數(shù)陶瓷天線和四臂螺旋天線等。目前，困擾北斗手持設(shè)備發(fā)展的重要難題是天線尺寸過(guò)大，從而阻礙了手持機(jī)的小型化趨勢(shì)。
[0003]采用多層微帶天線的形式的衛(wèi)星導(dǎo)航天線十分常見。倫敦大學(xué)瑪麗皇后學(xué)院在2012年設(shè)計(jì)了單個(gè)探針饋電的三頻GPS層疊式微帶天線(0.P.Falade, M.U.Rehman, Y.Gaoj X.D.Chen, and C.G.Parinij “Single Feed Stacked Patch Circular PolarizedAntenna for Triple Band GPS Receivers，，，IEEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, Vol.60，N0.10，pp.4479-4484，Oct.2012)，天線的低仰角的極化增益和軸比取得了理想的效果。但天線的三維尺寸為80mmX80mmX4.8mm，水平維尺寸偏大，限制了其在手持機(jī)中的應(yīng)用。
[0004]四臂螺旋天線以及變形形式的天線也是各種衛(wèi)星導(dǎo)航天線尤其是手持設(shè)備上常用的天線形式。四臂螺旋天線具有心型的方向圖、良好的前后比及優(yōu)異的寬波束圓極化特性，十分適合作為衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收天線。但傳統(tǒng)四臂螺旋天線法向尺寸過(guò)大，不能夠滿足小型化要求。為了解決小型化的問題，研宄人員做了大量研宄并提出了幾種有效的方法:
[0005]2001年Leisten提出了陶瓷介質(zhì)加載四臂螺旋天線(0.Leisten, J.C.Vardaxoglou,P.McEvoy, R.Seager and A.Wingfield, “Miniaturiseddielectrically-loaded quadr i f iIar antenna for global posit1ningsystem(GPS)” , IEEE Electronics Letters, Vol.37, N0.22, pp.1321-1322，Oct.2001)，該天線采用ε 36的陶瓷填充，天線體積縮小到10.0mmX 17.8mm(底面直徑X高)，為未加載介質(zhì)時(shí)天線體積的1/6.
[0006]2002年Chew提出了一種新型四臂螺旋天線(D.K.C.Chew andS.R.Saunders, “Meander line technique for size reduct 1n ofquadrif i Iar helix antenna，，，IEEE Antennas And Wireless Propagat1nLetters，Vol.1, pp.109-111，2002.)，該天線有四個(gè)彎折的螺旋臂，在固定工作頻率的情況向，縮短了螺旋臂的延伸長(zhǎng)度。從而實(shí)現(xiàn)了天線小型化，天線軸向尺寸與傳統(tǒng)四臂螺旋天線相比減小了 53%。
[0007]然而，以上兩種天線形式都存在帶寬過(guò)窄的問題，不能滿足北斗定位系統(tǒng)的需求。2011年Rabemanantsoa利用曲流印刷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了四臂螺旋天線的小型化(J.Rabemanantsoa and A.Sharaiha, “Size reduced mult1-band printed quadrifiIarhelical antenna，，，IEEE Transact1ns on Antennas and Propagat1n, Vol.59, N0.9, pp.3138-3143，Sept.2011)。通過(guò)將螺旋臂彎折回旋，實(shí)現(xiàn)了軸向尺寸減小了 43%。通過(guò)調(diào)整螺旋臂間的耦合，改善了天線的匹配。
[0008]然而以上幾種形式的四臂螺旋天線仍是典型的三維結(jié)構(gòu)，因此軸向的尺寸很難進(jìn)一步縮小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)尺寸大的缺點(diǎn)，提出了一種多層四臂螺旋天線系統(tǒng)，將傳統(tǒng)形式的四臂螺旋的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，從而大大降低了傳統(tǒng)四臂螺旋天線的軸向高度和體積，并實(shí)現(xiàn)寬波束圓極化以及高的低仰角增益。
[0010]多層四臂螺旋天線系統(tǒng)包括一個(gè)多層四臂螺旋天線和一個(gè)串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)。多層四臂螺旋天線和串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)通過(guò)金屬過(guò)孔集成在一起，整體結(jié)構(gòu)由多層PCB板工藝加工而成。
[0011]多層四臂螺旋天線通過(guò)多層PCB板加工制成，單層PCB板上表面制作四段水平弧線導(dǎo)帶，多層PCB板上對(duì)應(yīng)的水平弧線導(dǎo)帶形成四臂螺旋天線的一個(gè)螺旋臂。位于同一層PCB板上的四段弧線導(dǎo)帶按圓形均勻?qū)ΨQ分布，圓心在天線軸線上。每層PCB板上均印刷水平弧線導(dǎo)帶，或者部分PCB板上印刷水平弧線導(dǎo)帶，中間以沒有制作水平弧線導(dǎo)帶的PCB板隔開。但多層PCB板的最頂層和最底層一定印制水平弧線導(dǎo)帶。所有的水平弧線導(dǎo)帶長(zhǎng)度、寬度和弧線角度均相等，弧線角度為θ (θ<90° )。相鄰層水平弧線導(dǎo)帶沿天線軸線旋轉(zhuǎn)Θ，相鄰層對(duì)應(yīng)同一螺旋臂的水平弧線導(dǎo)帶通過(guò)垂直于水平面的金屬過(guò)孔首尾相連，即下層PCB板上水平弧線導(dǎo)帶的尾端通過(guò)金屬過(guò)孔與其上層PCB板對(duì)應(yīng)的水平弧線導(dǎo)帶的首端相連。通過(guò)這種方法將傳統(tǒng)四臂螺旋天線的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，從而壓縮天線軸向尺寸。
[0012]串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)位于多層四臂螺旋天線的下方，一共有五個(gè)端口，五個(gè)端口以串聯(lián)形式連接。其中四個(gè)端口旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，為串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)的輸出端口，分別和多層四臂螺旋天線最底層的四段水平弧線導(dǎo)帶的首端通過(guò)金屬過(guò)孔相連接。剩余的一個(gè)端口為串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)的輸入端口，采用同軸線轉(zhuǎn)帶狀線方式饋電，端口位置不限。串聯(lián)式帶狀線饋電網(wǎng)絡(luò)利用各個(gè)端口不同的線寬實(shí)現(xiàn)四級(jí)功分，把從饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端口輸入的能量在經(jīng)過(guò)第一個(gè)輸出端口時(shí)按1:3分配，在經(jīng)過(guò)第二個(gè)輸出端口時(shí)按1:2分配，在第三個(gè)輸出端口時(shí)按1:1分配，這樣旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的四個(gè)端口得到等功率的饋電。同時(shí)相鄰兩個(gè)輸出端口之間帶狀線電長(zhǎng)度為四分之一個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)，因此實(shí)現(xiàn)四個(gè)端口相位兩兩相差90°。
[0013]有益效果
[0014]本發(fā)明是多層四臂螺旋天線，將傳統(tǒng)四臂螺旋天線的三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)，軸向尺寸較傳統(tǒng)四臂螺旋天線縮小了 91.5%。使用串聯(lián)型饋電網(wǎng)絡(luò)保證了饋電部分和天線部分的在尺寸以及形式上的高度集成，保證了天饋系統(tǒng)的一體化。有益效果包天線成品尺寸小剖面低，可靠性高，具有寬波束圓極化和低仰角增益高等特點(diǎn)。適用于北斗手持設(shè)備和其他要求天線具有寬波束圓極化及小型化性能的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的多層四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖