本申請涉及物聯(lián)網(wǎng)和無線通信，尤其是涉及一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、螺旋天線最早在20世紀(jì)40年代被提出，并隨著理論和科研工具的進步逐漸被完善。四臂螺旋天線是由軸向模單螺旋天線發(fā)展而來。四臂螺旋天線輻射體為四根繞轉(zhuǎn)的螺旋臂，螺旋臂長度為四分之一波長的整數(shù)倍，即n×λ/4：當(dāng)天線終端短路連接時,n為奇數(shù)；當(dāng)天線終端開路連接時,n為偶數(shù)。對于螺旋臂的饋電，是通過天線自身來實現(xiàn)四臂的自相移饋電，通過使其中一對臂的長度稍大于諧振長度，相位滯后，另一對臂的長度則小于諧振長度，相位超前，當(dāng)長度選擇恰當(dāng)時，可以使得相位差剛好為90°，實現(xiàn)圓極化性能，改變相位差的順次方式，可以實現(xiàn)所需的左旋或右旋圓極化。近年來，四臂螺天線由于體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，擁有良好的圓極化特性，和良好的前后比，被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信技術(shù)領(lǐng)域中。

2、在過去的幾十年里，隨著相關(guān)軟硬件技術(shù)的發(fā)展與各方面需求的不斷增長，移動無線通信所特有的廣泛適用性與接入便利性使其能從人與人之間的溝通聯(lián)系逐漸拓展至人與物、物與物之間的“萬物”互聯(lián)，萬物互聯(lián)的時代即將到來。目前的5g時代中，隨著“智慧城市”的普及，窄帶物聯(lián)網(wǎng)頻段被廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，需要通過天線數(shù)據(jù)傳輸?shù)交具M行處理。然而，傳感器所處環(huán)境往往復(fù)雜多變(如地下管道，土壤，人體佩戴等)，因此對天線的性能提出了更高的要求。

3、在關(guān)于窄帶物聯(lián)網(wǎng)頻段針對地下管道管理，和土壤檢測的應(yīng)用中，環(huán)境對于天線的衰減非常大。將天線放置在井蓋下方或埋入土中，天線信號的衰減達到了15db以上，幾乎大部分電磁波能量都被井蓋、土壤反射和吸收。井下和土壤中傳感器數(shù)據(jù)無法順利傳輸，極大的增加了井蓋維護和土壤檢測的管理和維護難度。

4、為了應(yīng)對上述復(fù)雜環(huán)境，發(fā)射天線通常采用圓極化背腔天線。與線極化信號相比，在復(fù)雜電磁環(huán)境下采用圓極化信號可有效降低多徑信號引起的干擾，對信號的傳輸質(zhì)量影響較小。同時金屬背腔的存在，使得天線匹配受環(huán)境的影響降到了最小。目前常規(guī)的圓極化背腔天線包括有十字振子天線、微帶天線、喇叭天線等天線。十字振子背腔天線，結(jié)構(gòu)簡單，但饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，尺寸在低頻段較大。圓極化微帶背腔天線，設(shè)計靈活，但存在天線帶寬較窄，饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的缺點；圓極化喇叭天線，具有良好的寬帶特性，且受環(huán)境影響較小，但由于采用波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)，天線存在尺寸較大，剖面高度過高的缺點。

5、四臂螺旋天線雖然尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，可實現(xiàn)半球輻射波束及良好的寬角軸比特性，其輻射性能受載體影響較小，擁有較多優(yōu)點，但是天線帶寬較窄，且由于無背腔結(jié)構(gòu)，其受環(huán)境影響較大，并不適用于安裝于土壤環(huán)境中。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服背景技術(shù)中的不足之處，提供一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線及其制備方法。

2、為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，包括輻射單元，寄生輻射單元，同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)，sma接頭，外側(cè)金屬腔以及頂層防水蓋；

3、所述輻射單元包括四根螺旋臂單元，四根螺旋臂單元構(gòu)成兩對中心螺旋臂單元；所述螺旋臂單元以圓周陣列的方式排布在同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)的頂端和底端；

4、所述寄生輻射單元包括柔性pcb板和中空圓柱支撐件，所述pcb板表面刻蝕寄生折疊螺旋臂；所述中空圓柱支撐件內(nèi)壁與柔性pcb板非金屬面粘接；

5、所述同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)，底端穿過金屬底板的中心圓孔與接插件內(nèi)導(dǎo)體連接，同軸開槽巴倫的外導(dǎo)體與接插件的外導(dǎo)體均與金屬底板連接。所述sma接頭穿過金屬底板的中心圓孔與所述的同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)連接；所述的外側(cè)金屬腔與天線地連接；所述頂層防水蓋與所述外側(cè)金屬腔嵌合連接。

6、在一較佳實施例中：所述寄生折疊螺旋臂為四根，所述寄生折疊螺旋臂為旋轉(zhuǎn)對稱分布，相對于中心螺旋臂單元為任意角度。

7、在一較佳實施例中：所述寄生折疊螺旋臂為0.5圈，根據(jù)所需諧振長度調(diào)整彎折次數(shù)。

8、在一較佳實施例中：所述外側(cè)金屬腔與天線的直徑一致，高度與所述同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)的高度一致。

9、在一較佳實施例中：所述輻射單元激勵時，所述寄生折疊螺旋臂寄生。

10、在一較佳實施例中：所述寄生折疊螺旋臂與天線地為開路結(jié)構(gòu)或短路結(jié)構(gòu)。

11、本發(fā)明還提供了一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線的制備方法，包括如下步驟：

12、步驟1，分別采用四根天線繞0.5圈構(gòu)成兩對中心螺旋臂單元，每對中心螺旋臂單元關(guān)于原點對稱，并以圓周陣列的方式排布在同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)的頂端和底端；

13、所述中心螺旋臂單元的周長根據(jù)公式l＝c/f確定，其中l(wèi)代表螺旋一圈的周長,c代表光速，f代表工作頻率；

14、兩對中心螺旋臂單元周長設(shè)置為：一對中心螺旋臂單元周長大于l,另一對中心螺旋臂單元周長小于l；

15、步驟2，兩對中心螺旋臂單元使用同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)饋電，根據(jù)中心螺旋臂單元尺寸并結(jié)合寄生折疊螺旋臂和金屬腔確定開槽深度和寬度；

16、步驟3，通過在柔性pcb板刻蝕兩對折疊螺旋臂單元，根據(jù)螺旋天線的工作頻率確定兩對折疊螺旋臂單元的尺寸，一對折疊螺旋臂單元大于工作頻率半波長，另一對折疊螺旋臂單元小于工作頻率半波長；柔性pcb板與寄生單元支撐件粘接；

17、所述柔性pcb板為fpc軟板，所述寄生單元支撐件為pvc板材；

18、步驟4，中心螺旋臂單元、同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)和sma接頭焊接集成，并與寄生單元、金屬腔和頂層防水蓋集成，得到折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線；

19、步驟5，使用矢網(wǎng)和微波暗室對上述天線進行測試。

20、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的技術(shù)方案具備以下有益效果：

21、1.本發(fā)明公開了一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，在工作帶寬內(nèi)，增益大于5dbi,全向性好，半功率波束寬度覆蓋范圍大與100°。

22、2.本發(fā)明通過設(shè)計金屬腔折疊螺旋臂的尺寸與金屬腔的大小，引入新的諧振，拓寬了天線帶寬，且天線結(jié)構(gòu)緊湊，力學(xué)性能較好，天線最終體積φ0.5λ×0.31λ。

23、3.本發(fā)明通過在四臂螺旋天線外側(cè)加入金屬腔來避免天線的能量被土壤損耗，大幅度提高四臂螺旋天線在埋地應(yīng)用中的輻射效率。

24、4.本發(fā)明天線輻射效率高，阻抗帶寬特性好，在寬帶范圍內(nèi)具有良好的圓極化特性?？梢詮V泛應(yīng)用于各種埋地和地下、井下圓極化通信系統(tǒng)。

技術(shù)特征：

1.一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：包括輻射單元，寄生輻射單元，同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)，sma接頭，外側(cè)金屬腔以及頂層防水蓋；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：所述寄生折疊螺旋臂為四根，所述寄生折疊螺旋臂為旋轉(zhuǎn)對稱分布，相對于中心螺旋臂單元為任意角度。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：所述寄生折疊螺旋臂為0.5圈，根據(jù)所需諧振長度調(diào)整彎折次數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：所述外側(cè)金屬腔與天線的直徑一致，高度與所述同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)的高度一致。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：所述輻射單元激勵時，所述寄生折疊螺旋臂寄生。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線，其特征在于：所述寄生折疊螺旋臂與天線地為開路結(jié)構(gòu)或短路結(jié)構(gòu)。

7.一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線的制備方法，其特征在于包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種折疊螺旋臂加載的背腔式四臂螺旋天線及其制備方法，包括輻射單元，寄生輻射單元，同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)，SMA接頭，外側(cè)金屬腔以及頂層防水蓋；輻射單元包括四根螺旋臂單元，并以圓周陣列的方式排布在同軸開槽巴倫頂端和底端；寄生輻射單元由柔性PCB板和中空圓柱支撐件構(gòu)成，柔性PCB板表面刻蝕寄生折疊螺旋臂；中空圓柱支撐件內(nèi)壁與柔性PCB板非金屬面粘接作為支撐；同軸開槽巴倫結(jié)構(gòu)作為饋電和支撐結(jié)構(gòu)與SMA接頭和中心螺旋臂連接；外側(cè)金屬腔與天線金屬地連接；頂層防水蓋與外側(cè)金屬壁嵌合連接。本發(fā)明的天線在埋地和地下管道應(yīng)用中輻射效率高，阻抗帶寬特性好，在頻帶范圍內(nèi)具有良好的圓極化特性和全向特性。

技術(shù)研發(fā)人員：張淼,鄭世玖,朱暕昊,竇宇航
受保護的技術(shù)使用者：廈門大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9