本發(fā)明涉及衛(wèi)星通訊、導航技術領域，尤其涉及一種應用于小型化終端設備的衛(wèi)星通訊天線。

背景技術：

四臂螺旋式天線：Quadrifilar Helix Antenna，一般由四條按特定規(guī)則彎曲的金屬線條鑲于柱形基材上的一種天線。

LDS：Laser-Direct-structuring，激光直接成型技術,利用計算機按照導電圖形的軌跡控制激光的運動，將激光投照到模塑成型的三維塑料器件上，在幾秒鐘的時間內，活化出電路圖案。

衛(wèi)星移動通信是利用地球靜止軌道衛(wèi)星或中、低軌道衛(wèi)星作為中繼站，實現(xiàn)區(qū)域乃至全球范圍的一種通信方式。一般由多顆衛(wèi)星、地面站和移動終端三部分組成。1976 年，世界上第一個衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) Marist 誕生，很快它便發(fā)展為目前世界上最主要的通信方式之一。與其他通信方式相比，衛(wèi)星移動通信主要利用衛(wèi)星作為中繼站，所以它的通信覆蓋區(qū)域是全球性的且通信距離非常遠，由于其采用移動通信終端，通信方式更加機動靈活且線路穩(wěn)定。小型終端設備（如移動終端等手持設備）天線由于其剖面低，便于集成，一般采用陶瓷天線，但陶瓷天線由于帶寬窄、增益方向性差以及相位中心不穩(wěn)定等因素,受限于衛(wèi)星通訊和高精度導航終端的應用。諧振式四臂螺旋天線具有結構緊湊、高前后比和方向圖寬波束等優(yōu)點而被廣泛應用在衛(wèi)星通信、導航終端。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種有利于減小天線口徑尺寸、方便拓展帶寬、輻射效率高的衛(wèi)星通訊天線。

本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種基于四臂螺旋技術的衛(wèi)星通訊天線，包括橫截面為正多邊形的柱形基材器件，所述柱形基材器件表面利用設置有金屬天線線路，所述金屬天線線路包括四組完全相同并對稱旋轉分布在軸對稱柱形基材器件的側表面的螺旋臂，所述四組螺旋臂旋轉到頂端時通過一短路單元聯(lián)結，每組螺旋臂包含主輻射臂、輔助輻射臂和連接條帶，所述主輻射臂和輔助輻射臂相平行，并保持特定距離間距，所述主輻射臂和輔助輻射臂在底部通過連接條帶相接。

優(yōu)選的，所述柱形基材器件為模塑成型的三維柱體中空塑料器件，所述金屬天線線路為在柱形基材器件表面利用激光鐳射技術直接在外殼表面上化鍍形成的金屬天線線路。

優(yōu)選的，所述柱形基材器件的中空部分填充有高介電常數(shù)的材料。

優(yōu)選的，所述主輻射臂或輔助輻射臂中間加載有若干組折疊單元。

優(yōu)選的，主輻射臂左側延伸出寄生枝節(jié)，所述主輻射臂下方設置有饋電點，所述寄生枝節(jié)下方設置有接地點，所述饋電點和接地點之間形成地饋縫隙。

優(yōu)選的，所述柱形基材器件為橫截面為正四邊形的柱形基材器件。

優(yōu)選的，還包括饋電板，所述饋電板包括四個接地探針、四個接地端口、四個饋電探針、四個接地端口和信號輸入口，所述四個接地端口分別通過四個接地探針與四個接地點電性連接，所述四個饋電端口分別通過四個饋電探針與四個饋電點電性連接，所述四個饋電端口均與信號輸入口電性連接。

優(yōu)選的，所述饋電板設置在四邊形柱形基材器件內部，所述饋電板外形為正四邊形，所述饋電板面積略小于柱形基材器件橫截面的面積。

優(yōu)選的，所述信號輸入口設置在饋電板中心位置，所述四個接地端口和四個接地端口以饋電板中心旋轉對稱均勻分布在饋電板邊上。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明一方面通過采用多邊形棱柱，縮小了四臂螺旋天線的口徑和尺寸，保證了天線的工作頻率上可靠穩(wěn)定的圓極化特性，在保證天線性能達標的基礎上極大地提高了外觀設計的靈活性；另一方面，采用頂部加載短路單元和在低端連接部分設置短路點提高了輸入阻抗，改善了由于輸入阻抗過小造成的阻抗失配，增加了天線的輻射效率和增益。

另外，本發(fā)明還利用LDS工藝避免了傳統(tǒng)四臂螺旋使用FPC易變形導致天線性能下降的風險，進一步消除了由于安裝外殼造成天線頻偏、方向圖變異、增益下降的不良影響；通過在螺旋臂上加載長城線或“n”形折疊單元的小型化設計，降低原有天線高度，使天線在手持終端便于安裝。

本發(fā)明可廣泛應用于各種衛(wèi)星通訊天線。

附圖說明

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

圖1是本發(fā)明一種實施例天線的立體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明一種實施例天線的正面結構示意圖；

圖3是本發(fā)明一種實施例天線的仰視結構示意圖；

圖4是本發(fā)明一種實施例天線在發(fā)射頻段輻射方向圖；

圖5是本發(fā)明一種實施例天線在接收頻段輻射方向圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

如圖1和圖2所示，本實施例包括兩部分：天線輻射柱體部分（柱形基材器件）和饋電網絡（饋電板）。

1. 天線輻射柱體部分

柱形基材器件表面利用設置有金屬天線線路，所述金屬天線線路包括四組完全相同并對稱旋轉分布在軸對稱柱形基材器件的側表面的螺旋臂，所述四組螺旋臂旋轉到頂端時通過一短路單元聯(lián)結，每組螺旋臂包含主輻射臂、輔助輻射臂和連接條帶，所述主輻射臂和輔助輻射臂相平行，并保持特定距離間距，所述主輻射臂和輔助輻射臂在底部通過連接條帶相接。

本實施例中，所述柱形基材器件為模塑成型的三維柱體中空塑料器件，所述金屬天線線路為在柱形基材器件表面利用激光鐳射技術直接在外殼表面上化鍍形成的金屬天線線路。所述柱形基材器件為橫截面為正四邊形的柱形基材器件。本發(fā)明采用天線柱形基材器件為橫截面近似正方形中空柱體也可推廣為橫截面為正多邊形的柱體，比起常規(guī)四臂螺旋輻射部分大多采用圓柱體，有益于天線尺寸的進一步小型化，外觀設計更具有靈活性。

本實施例中，柱形基材器件是模塑成型的三維柱體中空塑料器件，在該器件表面利用激光鐳射技術直接在外殼表面上化鍍形成金屬天線線路。中空部分可以填充高介電常數(shù)其他材質材料，可以進一步縮小天線的高度又可防止天線因受外力變形，保證性能穩(wěn)定可靠。

所述主輻射臂或輔助輻射臂中間加載有若干組折疊單元。天線具體線路是四組完全相同并對稱旋轉分布在軸對稱柱體的側表面的螺旋旋臂；在每組螺旋臂向上旋轉的中間加載若干折疊單元；當螺旋臂旋轉到頂端時通過短路接地單元實現(xiàn)四組螺旋臂的聯(lián)結。

主輻射臂左側延伸出寄生枝節(jié)，所述主輻射臂下方設置有饋電點，所述寄生枝節(jié)下方設置有接地點，所述饋電點和接地點之間形成地饋縫隙。如圖2所示，每組螺旋臂包含主輻射臂、輔助輻射臂、連接條帶和寄生枝節(jié)。主輻射臂和輔助輻射臂相平行，并保持特定距離間距，兩者在底部通過連接條帶相接。連接條帶下方有饋電點和接地點。饋電點和接地點之間設置縫隙，以調節(jié)天線諧振深度，進一步展寬天線工作帶寬。天線輻射柱體的饋電點和饋電網絡的饋電點通過在平行饋電板的探針導通；同時，輻射柱體的接地點和饋電板的接地點通過在饋電網絡的平行探針（饋電探針和接地探針）聯(lián)通。

每組螺旋臂的主輻射臂與柱體垂直方向夾角為螺旋升角。

天線輻射柱體部分饋電端口輸入阻抗為50歐姆。

更具體的，柱形基材器件選取PC素材注塑成型，橫截面近似正方形的柱體，內部中空，壁厚1mm，柱體尺寸13*13*87mm。經過激光鐳雕（LDS）將素材的金屬粒子依照天線線路金屬活化，在四個側表面線路活化區(qū)域進行四組螺旋臂金屬化，金屬層5-10微米。四組螺旋臂以柱體中心軸對稱向上旋轉，螺旋升角通過素材的實際介電常數(shù)和柱體高度計算得出。本發(fā)明對柱體的高度和壁厚并不限定。

為進一步小型化設計和改善天線圓極化特性，本發(fā)明實施例中天線輻射柱體選取正四多邊形棱柱也可選取正多邊形棱柱，包含圓柱等的軸對稱棱柱體等。

本發(fā)明實施例采用中空PC素材為減小天線的重量，也可在殼體中空部分內部填充高介電常數(shù)材料進一步減小天線尺寸。

天線輻射柱體的四個側表面的均包含主輻射臂和輔助輻射臂和連接條帶，寄生枝節(jié)。主輻射臂是實現(xiàn)發(fā)射頻段功能。完成接收頻段的輔助輻射臂與主輻射臂相平行，調整兩者之間間距可進一步展寬天線工作帶寬，在底部通過連接條帶相接。具體螺旋臂的各輻射臂長度可以根據(jù)天線的收發(fā)工作頻率進行調整。連接條帶下方有饋電點。主輻射臂左側延伸出寄生枝節(jié)，與接地點相連。通過在螺旋臂的饋電點和接地點之間設置地饋縫隙并調節(jié)縫隙的長短和寬窄，完成天線輸入阻抗的匹配，改善諧振深度，也可以通過改變寄生枝節(jié)與主輻射臂的連接位置獲得天線輸入阻抗的匹配。天線輻射柱體部分饋電端口輸入阻抗為50歐姆。

為了減小螺旋臂的高度，在主輻射臂向上旋轉過程中加入了若干折疊單元,具體形狀可以是“m”型或“n”型或者是長城線的形狀。視具體情況而定。在主輻射臂和輔助輻射臂向上旋轉到頂端，通過增加了短路單元使四組螺旋臂相互連接，改善了四臂螺旋天線的阻抗匹配，提高了輻射效率和增益。

對于每組螺旋臂的連接條帶上均有一個饋電點，依次和饋電網絡的饋電端口通過在平行饋電板的探針導通；同樣，寄生枝節(jié)下方的接地點和饋電板的接地點通過在饋電網絡的平行探針聯(lián)通。饋電探針和接地探針材質為金屬銅共8顆，直接焊接在饋電板上的饋電網絡端口。

2.饋電板

如圖3所示，所述饋電板設置在四邊形柱形基材器件內部，所述饋電板外形為正四邊形，所述饋電板面積略小于柱形基材器件橫截面的面積。

所述饋電板包括四個接地探針、四個接地端口、四個饋電探針、四個接地端口和信號輸入口，所述四個接地端口分別通過四個接地探針與四個接地點電性連接，所述四個饋電端口分別通過四個饋電探針與四個饋電點電性連接，所述四個饋電端口均與信號輸入口電性連接。所述信號輸入口設置在饋電板中心位置，所述四個接地端口和四個接地端口以饋電板中心旋轉對稱均勻分布在饋電板邊上。

本實施例中，饋電板的外形尺寸近似略小于天線輻射柱體衡截面的正多邊形。饋電板垂直天線輻射柱體，通過天線卡座的支架固定于輻射主體內部，饋電板采用印制電路方式印刷饋電網絡。饋電網絡為5端口網絡，一個是信號輸入口，其余四個是信號輸出口作為網絡的饋電端口。信號輸入口與射頻同軸線相連接做為信號輸入，饋電端口以饋電板中心為旋轉對稱，且端口輸出功率相等，相位幅度依次相差90度。通過四個饋電端口與饋電板上的饋電探針焊接，以實現(xiàn)天線輻射柱體的螺旋臂電連接導通。另外，饋電板上分別在饋電端口旁邊還設置了接地點。通過饋電網絡完成四臂螺旋的相位和功率控制，完成天線的寬帶圓極化特性。

在饋電板的一側安裝4個饋電探針和4個接地探針，平行于饋電板方向。饋電探針和接地探針的位置以饋電板中心旋轉對稱均勻分布在定值圓周上，通過SMD焊接于饋電板表面。分別實現(xiàn)與天線輻射柱體的饋電和接地孔的導通連接。

更具體的，饋電板包含寬帶圓極化網絡，5端口，網絡中心為信號輸入口，輸入口與射頻同軸線相連接做為信號輸入；其余四個是信號輸出口作為網絡的饋電端口，饋電端口以饋電板中心和近似饋電板0.5倍邊長為半徑，對稱旋轉。每個端口輸出功率相等，相位幅度分別為0度90度180度和270度，依次相差90度。通過饋電網絡完成四臂螺旋的相位和功率控制，完成天線的寬帶圓極化特性。饋電板上分別在饋電端口旁邊還設置了接地點。

在饋電板的一側安裝4個饋電探針和4個接地探針，平行于饋電板方向。饋電探針和接地探針的位置以饋電板中心旋轉對稱均勻分布在定值圓周上，通過SMD焊接于饋電板表面。探針為金屬銅材質，分別實現(xiàn)與天線輻射柱體的饋電和接地孔的導通連接。

綜上所述：

1、本發(fā)明實施例首先采用多邊形棱柱，一方面縮小了四臂螺旋天線的口徑和尺寸（本實施例給出的天線口徑是13*13mm目前市場或已有文獻尚未見到），保證了天線的工作頻率上可靠穩(wěn)定的圓極化特性，同時在利用LDS工藝避免了傳統(tǒng)四臂螺旋使用FPC易變形導致天線性能下降的風險。在保證天線性能達標的基礎上極大地提高了外觀設計的靈活性。進一步消除了由于安裝外殼造成天線頻偏、方向圖變異、增益下降的不良影響。

2、通過在螺旋臂上加載長城線或“n”形折疊單元的小型化設計，降低原有天線高度，使天線在手持終端便于安裝。

3、采用頂部加載短路單元和在低端連接部分設置短路點提高了輸入阻抗，改善了由于輸入阻抗過小造成的阻抗失配，增加了天線的輻射效率和增益。（如圖4和圖5所示，本實施例在13*13mm的口徑可達到增益為發(fā)射頻段4dbi/接收頻段5dBi明顯優(yōu)于同類產品）。

本發(fā)明有益效果包括：

(1)常規(guī)四臂螺旋天線采用柔性印刷薄膜固定在饋電板上易變性，通過增加支撐件和天線外殼以后導致天線的輻射性能不同程度惡化。另外FPC外裝配天線外殼造成天線口徑更大，尤其影響手持終端設備整體外觀。本發(fā)明通過LDS工藝直接將天線固化共形在手持設備外殼上，消除了外殼對天線效率降低和方向圖變異，進一步縮小天線的口徑。另外利用這種方式可以確保天線可靠牢固的附著在外殼上，不會因為內薄膜變形造成天線性能惡化。

（2）本發(fā)明通過在螺旋臂中間加載若干組折疊單元，進一步縮小四臂螺旋天線的高度，保證四臂螺旋天線在固定工作頻率的性能穩(wěn)定。

（3）本發(fā)明實施例還在螺旋四臂和輔助輻射臂頂端加載短路單元，在低端連接部分設置短路點改善了輸入阻抗的匹配，提高了天線的輻射效率和增益。

（4）本發(fā)明采用四臂螺旋柱體為橫截面近似正方形柱體也可推廣為橫截面為正多邊形的柱體，比起常規(guī)四臂螺旋輻射部分大多采用圓柱體，有益于天線尺寸的進一步小型化，同時外觀設計更具有靈活性。

以上是對本發(fā)明的較佳實施進行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實施例，熟悉本領域的技術人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的范圍內。