CN101533956A

CN101533956A - 一种多模卫星定位导航终端天线

Info

Publication number: CN101533956A
Application number: CN200910010924A
Authority: CN
Inventors: 房少军; 王钟葆; 付世强; 吕善伟
Original assignee: Dalian Maritime University
Current assignee: Dalian Maritime University
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: CN101533956B

Abstract

本发明公开了一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于包括：叠层微带贴片天线、宽带正交馈电网络和连接探针；所述叠层微带贴片天线的结构至上而下依次为电容板、上层贴片、下层贴片和地，并在电容板、上层贴片、下层贴片和地之间分别设有介质基板，同时在固定电容板的介质基板、固定上层贴片的介质基板和固定下层贴片的介质基板之间设有补偿空气层；所述宽带正交馈电网络由Wilkinson功分器和90度宽带相移器组成并固定在地下面介质基板上；该天线具有成本较低、天线波束宽和低仰角增益高等特点，非常适合于高精度卫星定位导航和授时系统中的应用。

Description

一种多模卫星定位导航终端天线

技术领域

本发明涉及一种多模卫星定位导航终端天线，尤其是指应用于高精度卫星定位导航和授时系统中的接收天线。

背景技术

2008年我国“北斗”卫星定位导航系统在抗震救灾中作用显著，卫星定位导航越来越受到人们的关注。同样，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的GALILEO正被广泛的使用。我国自主研发的“北斗”卫星定位导航系统也已满足我国极其周边地区用户对卫星定位导航的需求，并且计划2010年逐步扩展为全球卫星定位导航系统。当前市场上最常见的汽车卫星定位导航仪只能接收L1频段的GPS信号、定位精度低。为了提高定位精度，卫星定位导航终端采用L1/L2双频或L1/L2/L5三频工作模式。但这些终端都受到美国的限制，假如某一天美国不向我国提供GPS服务，这些终端将无法使用。例如，我国CDMA网络曾经出现过瘫痪事件就是由于美国GPS系统未授时。为解决单一系统覆盖空白和定位精度低的问题，未来的卫星定位导航必将是多模式兼容和多系统集成，而终端天线作为卫星定位导航系统的重要组成部分，其性能好坏将对整个定位导航系统的性能产生很大影响。

因微带贴片天线由于具有体积小、重量轻、低剖面、低成本和易共形等优点，已得到广泛应用。但随着卫星定位导航系统的发展，对天线的覆盖范围提出了越来越高的要求。如我国的“北斗”定位系统和美国的GPS系统用户机天线，以及测控系统的飞行器机载天线，都要求具有近似半球的覆盖能力，而且要具有较高的低仰角增益。而普通的微带贴片天线的波束宽度一般在70～110度左右，在低仰角时(仰角为10度)增益在-7～-3dBi之间。所以不提高微带贴片天线的低仰角增益，就不能够很好将微带贴片天线应用于导航终端天线，从而满足多模卫星定位导航终端天线的要求。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种能够接收GPS、GLONASS，GALILEO和“北斗”定位导航信号的多模卫星定位导航终端天线。本发明采用的技术原理为：

采用叠层微带贴片天线结构实现双带工作。为了保证低频段75MHz的带宽采用电容耦合馈电方式。为了提高微带贴片天线低仰角增益，采用高介电常数的介质基板。当介质基板覆盖在上层贴片上方，能够增加波束宽度和进一步提高低仰角增益。为了实现右旋圆极化(RHCP)接收，采用宽带正交馈电网络对叠层微带贴片天线馈电，且馈电网络集成到天线下方，结构紧凑，便于加工。

实采用的技术指标如下：

频率范围：1164-1239MHz，1559-1612MHz

极化方式：RHCP

VSWR：<1.5：1

轴比：≤3dB

天线增益：≥0dBi(顶点)；≥-5dBi(低仰角)

天线波束：方位0-360°，仰角5-90°

馈电方式：50欧姆SMA连接器。

本发明采用的技术手段如下：

一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于包括：叠层微带贴片天线、宽带正交馈电网络和连接探针；

所述叠层微带贴片天线的结构至上而下依次为电容板、上层贴片、下层贴片和地，并在电容板、上层贴片、下层贴片和地之间分别设有介质基板，同时在固定电容板的介质基板、固定上层贴片的介质基板和固定下层贴片的介质基板之间设有补偿空气层；

所述宽带正交馈电网络由Wilkinson功分器和90度宽带相移器组成并固定在地下面介质基板上；

所述电容板通过连接探针与宽带正交馈电网络输入端连接，并在连接探针穿越的上层贴片、下层贴片和地的相应位置设有保护孔，且保护孔的内径大于连接探针的直径。

所述上层贴片通过电容板耦合馈电，工作于高频段1559-1610MHz，用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；所述下层贴片通过上层贴片耦合馈电，工作于低频段1164-1239MHz，用于接收L2和L5频段附近的卫星定位导航信号。

所述叠层微带贴片天线中的介质基板采用介电常数9～11的介质基板。

所述上层贴片由电容板耦合馈电，下层贴片由上层贴片耦合馈电，还用于补偿了由连接探针引入的电感，提高了所述叠层微带贴片天线的阻抗带宽。

所述连接探针长度随所述补偿空气层厚度的变化而变化，其中叠层微带贴片天线和宽带正交馈电网络通过固定螺丝固定在一起。

所述宽带正交馈电网络集成到所述叠层微带贴片天线下方。

所述90度宽带相移器包括两条路径，路径一是一段特性阻抗为50欧姆，相对于中心频率1.4GHz电长度为270度的微带线；路径二由特性阻抗为62欧姆，相对于中心频率1.4GHz电长度180度的微带线；其中所述路径一和路径二在1.1-1.7GHz频率范围内相差在90±5度之间。

所述90度宽带相移器中的开路/短路微带线采用特性阻抗为75欧姆，开路微带线电长度为24度，短路微带线电长度59.5度即相对于中心频率1.4GHz。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的多模卫星定位导航终端天线，通过提高微带贴片天线的低仰角增益，从而满足各种模式卫星定位导航终端天线，高精度定位和授时系统中使用的要求。并且该天线成本较低、天线波束宽和低仰角增益高，又具有圆极化性能好的特点，非常适合于高精度卫星定位导航和授时系统中的应用。

附图说明

图1是本发明多模卫星定位导航终端天线的立体图；

图2是叠层微带贴片天线的结构视图；

图3是宽带正交馈电网络的结构视图；

图4是宽带正交馈电网络的原理图；

图5是本发明多模卫星定位导航终端天线的反射系数(S₁₁)图；

图6是本发明多模卫星定位导航终端天线在1.207GHz处辐射模式图；

图7是本发明多模卫星定位导航终端天线在1.575GHz处辐射模式图。

具体实施方式

如图1～图4所示，本发明多模卫星定位导航终端天线包括叠层微带贴片天线2、宽带正交馈电网络3和连接探针4；叠层微带贴片天线2包括电容板21、上层贴片22、下层贴片23、地24、介质基板25、补偿空气层26和保护孔27(如图2所示)；上层贴片22通过电容板21耦合馈电，工作于高频段(1559-1610MHz)，用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；下层贴片23通过上层贴片22耦合馈电，工作于低频段(1164-1239MHz)，用于接收L2和L5频段附近的卫星定位导航信号。电容板21和上层贴片22之间构成耦合电容，上层贴片22和下次贴片23也构成耦合电容，这两个耦合电容补偿了由连接探针引入的电感，从而提高了叠层微带贴片天线2的阻抗带宽。其中介质基板采用高介电常数的基板(本实施例采用介电常数为10.2的介质基板)，覆盖在上层贴片的介质基板，可以增加了天线波束宽度和提高了天线低仰角增益。电容板通过连接探针与宽带正交馈电网络输入端连接。因为介质基板25的厚度和介电常数通常是不均匀的，采用补偿空气层26进行调谐和补偿；调试时改变补偿空气层26的厚度，当多模卫星定位导航终端天线的输入驻波比在1164-1239MHz和1559-1612MHz频率范围内同时小于1.5时，说明补偿空气层26厚度已经合适，确定所述补偿空气层厚度和连接探针长度，最后用四个螺丝把叠层微带贴片天线和宽带正交馈电网络固定在一起。为了避免上层贴片22、下层贴片23、地24和连接探针4短路，在相应位置过保护孔26，这样电容板21和上层贴片22之间才能构成耦合电容，同时上层贴片22和下次贴片23也才能构成耦合电容。如图3和图4所示宽带正交馈电网络3包括Wilkinson功分器31和90度宽带相移器32。90度宽带相移器32包括两条路径，路径321是一段特性阻抗为Z₄(50欧姆)，长度为3λ_g/4(相对于中心频率1.4GHz电长度为270度)的微带线3211；路径322由特性阻抗为Z₃(62欧姆)，长度为λ_g(相对于中心频率1.4GHz电长度180度)的微带线3221和其两侧的一对开路微带线3222和短路微带线3223线组成。开路微带线3222的特性阻抗为Z₂(75欧姆)，电长度为24度(相对于中心频率1.4GHz)。短路微带线3223的特性阻抗为Z2(75欧姆)，电长度为59.5度(相对于中心频率1.4GHz)。以往的90度宽带相移器31中的开路/短路微带线的特性阻抗很大，对应线宽很小，不利于加工。因此，我们研制出减小了开路/短路微带线的特性阻抗，以利于加工，但为了达到同样的性能，开路和短路微带线的长度不等，且开路/短路微带线的长度随特性阻抗变化而变化。本发明提出的宽带正交馈电网络3，由于采用了我们所提出的90度宽带相移器31，在1.1-1.7GHz频率范围内端口2和端口3，幅度差小于0.3dB、相移差为90±5度，从而提高了所述多模卫星定位导航终端天线的圆极化性能。

请参阅图5，本发明多模卫星定位导航终端天线的反射系数(S₁₁)在工作频段1164-1239MHz和1559-1612MHz之间均小于-14dB(相对于电压驻波比1.5)，说明本发明多模卫星定位导航终端天线输入端匹配良好。图6和图7分别为本发明多模卫星定位导航终端天线在工作频率1.207GHz和1.575GHz的辐射模式图。由测试结果可知，该天线具有波束宽、圆极化性能好和低仰角增益高的特点，非常适合于高精度卫星定位导航和授时系统中的应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于包括：叠层微带贴片天线、宽带正交馈电网络和连接探针；

所述宽带止交馈电网络由Wilkinson功分器和90度宽带相移器组成并固定在地下面介质基板上；

2、根据权利要求1所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述上层贴片通过电容板耦合馈电，工作于高频段1559-1610MHz，用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；所述下层贴片通过上层贴片耦合馈电，工作于低频段1164-1239MHz，用于接收L2和L5频段附近的卫星定位导航信号。

3、根据权利要求1所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述叠层微带贴片天线中的介质基板采用介电常数9～11的介质基板。

4、根据权利要求1或2所示的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述上层贴片由电容板耦合馈电，下层贴片由上层贴片耦合馈电，还用于补偿由连接探针引入的电感，提高了所述叠层微带贴片天线的阻抗带宽。

5、根据权利要求1所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述连接探针长度随所述补偿空气层厚度的变化而变化，其中叠层微带贴片天线和宽带正交馈电网络通过固定螺丝固定在一起。

6、根据权利要求1所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述宽带正交馈电网络集成到所述叠层微带贴片天线下方。

7、根据权利要求6所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述90度宽带相移器包括两条路径，路径一是一段特性阻抗为50欧姆，相对于中心频率1.4GHz电长度为270度的微带线；路径二由特性阻抗为62欧姆，相对于中心频率1.4GHz电长度180度的微带线；其中所述路径一和路径二在1.1-1.7GHz频率范围内相差在90±5度之间。

8、根据权利要求6所述的一种多模卫星定位导航终端天线，其特征在于所述90度宽带相移器中的开路/短路微带线采用特性阻抗为75欧姆，相对于中心频率1.4GHz，开路微带线电长度为24度，短路微带线电长度59.5度，且所述开路/短路微带线的长度随特性阻抗变化而变化。