專利名稱：一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及螺旋天線的技術領域，尤其涉及一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統。
背景技術：
隨著航空、航天和通信技術的不斷發展，短距離無線通信技術的應用也不斷深入。由于無線頻率資源的日益緊張，使短距離無線通信呈現出更廣泛的應用前景。近場耦合通信就是短距離無線通信的重要方式之一。近場耦合通信系統一般是基于電感耦合方式，天線采用線圈的形式，即封閉式環形線圈，收發線圈通過電感耦合產生磁場，數據通過磁耦合建立鏈路，進行數據傳輸，在耦合的過程中，利用天線線圈產生的未輻射出去的交變磁能，相當于天線的輻射近場情況。而鐵氧體是一種具有鐵磁性的金屬氧化物，將鐵氧體材料應用于近場耦合的螺旋天線系統中可使天線系統小型化，從而提高耦合效率。螺旋天線有不同的形式，如中心匹配螺旋波束天線、非等距雙頻螺旋天線、四臂螺旋式天線等等。結構是決定螺旋天線特性的關鍵。不同結構形式的螺旋天線具有不同的特性。現有技術一般采用單層平面螺旋結構(微帶結構)或傳統螺旋結構。單層平面螺旋結構頻帶很窄，而傳統螺旋結構的重復性較差，也很難實現相對運動，因此在小體積、近距離的通信環境中應用受到限制。根據傳輸線理論，采用加載鐵氧體的小型化圓形多層平面式螺旋天線結構可滿足近距離磁場耦合的通信要求。基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統可等效為分布參數電路。發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線的磁場分布遵循右手螺旋關系且方向相同，層與層之間的線圈通過盲孔連接。改變多層平面螺旋天線各層線圈的外徑、內徑、圈數、導線寬度和間距以及螺距(層與層之間的間距)、鐵氧體材料等就可改變螺旋天線系統的耦合電容和耦合電感，從而改變螺旋天線系統的諧振頻率和耦合效率，實現近距離數據傳輸的目標。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供的一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，該系統體積小，頻帶較寬，衰減較小，能很好地實現近距離的數據傳輸。實現本發明目的的具體技術方案是:
一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，該系統包括發射多層平面式螺旋天線、接收多層平面式螺旋天線和圓柱型鐵氧體環；鐵氧體環加載于發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線之間且與兩個多層平面螺旋天線同軸，兩個多層平面式螺旋天線可同軸相對運動；信號從發射多層平面式螺旋天線輸入、接收多層平面式螺旋天線輸出；實現螺旋天線系統的近場耦合和小型化。其中，所述發射多層平面式螺旋天線與接收多層平面式螺旋天線結構一致、尺寸相同且對稱設置，多層平面式螺旋天線的層與層之間設有介質材料，外層設有金屬接地板；層與層之間的線圈通過盲孔首尾連接，并由介質材料封裝外圍。其中，所述發射多層平面式螺旋天線的直徑為3.5 mm IOmm,螺距為0.35mm
0.5mm,螺旋導線寬度為0.1mm 0.3mm,間距為0.1mm 0.3mm,發射天線的長度不超過2mm o其中，所述鐵氧體環的外徑為5 7mm,內徑為3 4mm,長度為Imm 2mm。其中，所述螺旋天線系統的三個諧振頻率介于2(T500MHz。工作時近距離數據通信在這三個頻率進行。其中，所述發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線可同軸相對運動。其中，所述發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線的金屬導線材料是銅、銀或金；所述介質材料為FR4環氧樹脂、聚四氟乙烯；所述鐵氧體環的材料是鎳鋅鐵氧體。本發明中，發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線的磁場分布遵循右手螺旋關系且方向相同，層與層之間的線圈通過盲孔首尾連接。本發明提供的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統是一個實現近距離數據傳輸的系統。當數據信號從發射多層平面式螺旋天線輸入時，發射多層平面式螺旋天線產生的交變電磁場穿過接收多層平面式螺旋天線，并在接收多層平面式螺旋天線中產生感應電壓，鐵氧體環則聚束磁場，這樣數據通過磁耦合傳輸到接收多層平面式螺旋天線，從而實現數據的高效耦合和小型化。基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統可等效為分布參數電路，通過改變電感和電容實現小型化圓形多層平面式螺旋天線頻率的諧振，通過系統調配增大品質因數，從而提高耦合效率。層數愈多、圈數愈多，產生的磁場強度愈大，接收天線感應的電壓愈大。本發明優點是體積小、頻帶較寬、衰減較小、能相對運動并很好地實現近距離的數據傳輸。多層平面式螺旋實現螺旋天線系統的小型化；鐵氧體環實現磁場聚束；多層平面式螺旋天線系統的諧振頻率可根據層數、每層圈數、螺距、線圈導線寬度和間距等進行調節，而且工作頻帶較寬；小型化圓形多層平面式螺旋天線系統實現近距離磁場耦合，增大耦合效率。
圖1為本發明結構示意 圖2為圖1的A-A處俯視 圖3為本發明實施例結構示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例進一步詳細闡述本發明，但實施例不是對本發明的限制。在不背離發明構思的精神和范圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優點都被包括在本發明中。實施例1 參閱圖3，本實施例提供一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，包括發射多層平面式螺旋天線1、接收多層平面式螺旋天線2和圓柱型鐵氧體環3 ;鐵氧體環3加載于發射多層平面式螺旋天線I和接收多層平面式螺旋天線2中間且與螺旋天線1、2同軸。工作時，信號從發射多層平面式螺旋天線I的同軸輸入端口 31輸入、接收多層平面式螺旋天線2的同軸輸出端口 32輸出，實現螺旋天線系統的近場耦合和小型化。本實施例中發射多層平面式螺旋天線I和接收多層平面式螺旋天線2的金屬導線材料為銅，介質材料4為FR4環氧樹脂，鐵氧體環3的材料是鎳鋅鐵氧體。本實施例中發射多層平面式螺旋天線I有四層平面螺旋線圈，每層螺距SI為
0.394mm，第一層螺旋線圈11、第二層螺旋線圈12、第三層螺旋線圈13和第四層螺旋線圈14的圈數分別為5、8、8、8，線圈金屬導線的寬度為0.2mm,間距為0.2mm ;其中第一層螺旋線圈11的內徑為6.8mm，外徑為10.8mm，第二層螺旋線圈12、第三層螺旋線圈13和第四層螺旋線圈14的內徑為4.4_，外徑為10.Smm0層與層之間的線圈通過金屬盲孔首尾連接。同軸輸入端口 31的內導體與第四層螺旋線圈14連接，外導體與金屬接地板51連接。本實施例中接收多層平面式螺旋天線2有四層平面螺旋線圈，每層螺距S2為
0.394mm，第一層螺旋線圈21、第二層螺旋線圈22、第三層螺旋線圈23和第四層螺旋線圈24的圈數分別為5、8、8、8，線圈金屬導線的寬度為0.2mm，間距為0.2mm ;其中第一層螺旋線圈21的內徑為6.8mm，外徑為10.8mm，第二層螺旋線圈22、第三層螺旋線圈23和第四層螺旋線圈24的內徑為4.4_，外徑為10.Smm0層與層之間的線圈通過金屬盲孔首尾連接。同軸輸出端口 32的內導體與第四層螺旋線圈24連接，外導體與金屬接地板52連接。本實施例中介質材料的外徑為11.2mm,長度h1、h2均為2mm。鐵氧體環3的外徑為5mm,內徑為3mm,長度h3為2_。本實施例的三個諧振頻率為161MHz、201MHz、471MHz。與現有技術相比，本實施例基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統具有尺寸更小、耦合效率更高、能很好地實現近場耦合通信等優點。
權利要求
1.一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，該系統包括發射多層平面式螺旋天線(I)、接收多層平面式螺旋天線(2)及圓柱型鐵氧體環(3);所述鐵氧體環(3)加載于發射多層平面式螺旋天線(I)和接收多層平面式螺旋天線(2)之間且與發射多層平面螺旋天線(I)及接收多層平面式螺旋天線(2)同軸；其中，信號從所述發射多層平面式螺旋天線(I)的同軸輸入端口(31)輸入、接收多層平面式螺旋天線(2)的同軸輸出端口(32)輸出。
2.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，所述發射多層平面式螺旋天線(I)與接收多層平面式螺旋天線(2)結構一致、尺寸相同且對稱設置，多層平面式螺旋天線的層與層之間設有介質材料(4)，外層設有金屬接地板(5);層與層之間的線圈通過盲孔首尾連接，并由介質材料(4)封裝外圍。
3.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，所述發射多層平面式螺旋天線(I)的直徑Dl為3.5 mm I Imm,螺距SI為0.35mm 0.5mm,螺旋導線寬度為0.1mm 0.3mm,間距為0.1mm 0.3mm,封裝介質材料的高度hi不超過2mm。
4.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，所述鐵氧體環(3)的外徑為5_ 7mm,內徑為3_ 4mm,長度h3為1_ 2_。
5.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，諧振頻率為20MHz 500MHz。
6.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，所述發射多層平面式螺旋天線(I)和接收多層平面式螺旋天線(2)能夠同軸相對運動。
7.如權利要求1所述的基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，其特征在于，所述發射多層平面式螺旋天線(I)和接收多層平面式螺旋天線(2)的金屬導線材料是銅、銀或金；所述介質材料(4)為FR4環氧樹脂或聚四氟乙烯；所述鐵氧體環(3)的材料是鎳鋅鐵氧體。
全文摘要
本發明公開了一種基于近場耦合的小型化圓形多層平面式螺旋天線系統，包括發射多層平面式螺旋天線、接收多層平面式螺旋天線和圓柱型鐵氧體環，鐵氧體環加載于發射多層平面式螺旋天線和接收多層平面式螺旋天線之間且與兩個多層平面螺旋天線同軸，兩個多層平面式螺旋天線可同軸相對運動。信號從發射多層平面式螺旋天線輸入、接收多層平面式螺旋天線輸出。本發明具有尺寸小、頻帶較寬、耦合效率高等優點。
文檔編號H01Q9/27GK103208675SQ20131010421
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月28日 優先權日2013年3月28日
發明者廖斌, 張歡, 王新剛, 馬寧 申請人:華東師范大學