CN102013549B - 一种精密gnss定位天线 - Google Patents
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Abstract
一种精密GNSS定位天线，它包括反射腔、辐射下贴片、辐射上贴片、四个L形金属馈电探针、第一支撑柱、第二支撑柱和扼流槽。反射腔为底面封闭的空心圆柱体，高度略低于辐射上贴片，高于辐射下贴片，辐射下贴片高于L形金属馈电探针，辐射下帖片通过第二支撑柱与反射腔内底面同心连接，辐射上贴片通过第一支撑柱与辐射下贴片同心连接。四个L形金属馈电探针安装在发射腔内底面上，均匀分布在同一圆周上。反射腔的底面安装在扼流槽上，扼流槽为金字塔结构，四个扼流环高度由里向外递减，并且各扼流环等深、等间距。本发明拥有较宽的波束覆盖能力，在低仰角方向抗多径干扰能力强，适用于精密定位系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，特别时涉及一种精密GNSS定位天线，属于高精度定位天线技术领域。
背景技术
随着用户对卫星定位精度需求的提高，现有GPS卫星定位系统的定位精度已不能满足用户高精度定位的需求，为此国际上提出了容纳目前所有卫星定位系统的全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation SatelliteSystem)，作为卫星定位系统中的关键部件，高精度定位天线技术已成为当前急需解决的问题。
卫星定位天线是一种宽波束天线，要求天线在宽角域范围内具有较高的增益及稳定的相位中心，并且在低仰角方向具备一定的抗多径干扰能力。目前卫星定位天线多采用四臂螺旋天线加扼流槽(Choke Ring)形式。如图1所示，典型的四臂螺旋天线主要由螺旋臂及馈电支撑结构构成，这种天线的优点是电尺寸小，结构紧凑，具有较高辐射效率，可实现良好的广角域波束增益覆盖以及较高的前后比，但是由于四臂螺旋天线是谐振式天线，主要是通过调整螺旋臂的长度来实现谐振，使螺旋臂上电流呈现驻波分布，这就造成四臂螺旋天线工作带宽较窄，不能够充分覆盖GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的频率范围，并且由于螺旋臂长度的限制导致螺旋臂在各工作频点电流分布不一致，天线螺旋臂在部分工作频点电流不能够实现驻波分布，使天线辐射方向图恶化，同时导致其相位中心在宽频带、宽波束范围内稳定性较差，从而影响天线整体工作性能。四臂螺旋天线对尺寸精度及螺旋线成形要求较高，结构及加工工艺复杂，成本较高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度GNSS定位天线，能够充分覆盖GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的频率范围，具有宽频带、宽波束、相位中心稳定、抗多径能力强的特点。
本发明的技术解决方案是：
一种精密GNSS定位天线，包括反射腔、辐射下贴片、辐射上贴片、四个L形金属馈电探针、第一支撑柱、第二支撑柱和扼流槽；
所述反射腔是一个底面封闭的金属空心圆柱体且安装在扼流槽顶部，所述第二支撑柱是一个金属圆柱体，并且所述第二支撑柱安装在所述反射腔的内腔底面圆心位置，所述第二支撑柱的底面圆心与所述反射腔的内腔底面圆心对齐，四个L形金属馈电探针的短臂安装在所述反射腔的内腔底面上且以所述反射腔的内腔底面圆心为圆心，均匀分布在同一圆周上，四个L形金属馈电探针的长臂与所述反射腔的内腔底面平行且指向所述反射腔的内腔底面圆心，
所述辐射下贴片为圆形金属片且安装在第二支撑柱顶部，辐射下贴片与第二支撑柱同心，辐射下贴片高于L形金属馈电探针的高度且辐射下贴片低于反射腔的腔体高度，
所述第一支撑柱是一个金属圆柱体且安装在辐射下贴片上，第一支撑柱与辐射下贴片同心，
所述辐射上贴片为圆形金属片且安装在第一支撑柱顶部，辐射上贴片与第一支撑柱同心且辐射上贴片高于反射腔的腔体高度。
所述辐射上贴片的直径在65mm到75mm之间。
所述辐射下贴片的直径在99mm到101mm之间。
所述第一支撑柱的高度为19mm到21mm之间。
所述第二支撑柱的高度为15mm到17mm之间。
所述四个L形金属馈电探针的短臂均匀分布的圆周，直径为118mm到122mm之间。
所述四个L形金属馈电探针的短臂长度为7mm到9mm之间，长臂长度为40mm到45mm之间。
所述反射腔的腔体高度在33mm到35mm之间。
所述扼流槽为金字塔结构，四个扼流环高度由里向外递减，并且各扼流环等深、等间距。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用L形金属馈电探针对辐射下贴片进行耦合馈电，与传统探针直接连接馈电的方式相比，由于L形金属馈电探针的电容耦合作用，改善了输入端口的阻抗特性，经过实验验证，这种方式可将天线工作带宽拓展至20％～30％，增加了天线的频率覆盖范围，能够充分覆盖GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的频率范围
(2)通过四点馈电形式形成圆极化，与现有的一点自圆极化和两点馈电形成圆极化相比，四点馈电形式结构对称，能够有效抑制非对称馈电结构带来的不必要的高次模式，提高天线传输主模的纯度，在拓展天线匹配特性的同时，有效的改善天线在宽角域范围内的辐射特性，提高天线在宽角域范围内的轴比特性，相位中心特性以及低仰角的抗多径干扰能力；
(3)本发明中辐射贴片采用圆形金属片可以使得天线性能最优，并且加工简单，外观美观。根据天线的工作频率，辐射上贴片的直径控制在65mm到75mm之间，辐射下贴片的直径控制在99mm到101mm之间。考虑到天线结构的可靠性，辐射贴片采用金属圆柱连接并固定在反射腔圆心位置，第二支撑柱的高度在15mm到17mm之间，第一支撑柱的高度在19mm到21mm之间，这样既保证了天线的工作频率特性，也实现了天线的耦合馈电。
四个L形金属馈电探针的四个短臂均匀分布在直径为118mm到122mm之间的圆周上来实现四点馈电，每个L形金属馈电探针之间的夹角为90度，同时四个L形金属馈电探针的四个短臂在7mm到9mm之间，长臂长度在40mm到45mm之间，通过这些尺寸来保证辐射下贴片与四个L形金属馈电探针的电容耦合馈电，改善输入端口的阻抗特性。
由于L形金属馈电探针相对位置探针间隔离度指标不好，导致工作状态下天线端口反射系数较差，降低天线的辐射效率，进一步影响天线在低仰角方向的增益，通过适当加高反射腔1和辐射上贴片3的高度降低馈电探针间的耦合度，改善工作状态下天线端口反射系数。反射腔的腔体高度在33mm到35mm之间，第一支撑柱的高度在19mm到21mm之间。
(4)本发明采用金字塔形式扼流槽(Choke Ring)，四个扼流环高度由里向外递减，各扼流环等深等间距，相比与平面扼流槽，金字塔形式扼流槽扼流环高度由里向外递减，形成一定的高阻抗斜面，能够更好的抑制低仰角方向的多径信号，并且经过大量的仿真及试验验证，金字塔形式扼流槽性能更优，对天线低仰角方向的多径信号抑制能力更强，能够更好的改善天线的抗多径能力。
附图说明
图1为四臂螺旋天线结构示意图；
图2是本发明精密GNSS定位天线的立体结构示意图；
图3是本发明精密GNSS定位天线剖面示意图；
图4是本发明精密GNSS定位天线馈电探针分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
为了满足用户日益增长的卫星定位精度需求，国际上提出了容纳目前所有导航卫星系统的全球导航卫星系统(GNSS，Global NaVigation SatelliteSystem)，该系统包括GPS(Global Positioning System，美国导航卫星系统)、BD-2(北斗，中国导航卫星系统)、GALILEO(欧洲导航卫星系统)以及GLONASS(俄罗斯导航卫星系统)，与现有GPS导航卫星系统相比，GNSS能够提供更高精度的定位信息、时钟等。天线作为高精度定位系统关键部件，高精度定位天线技术已成为当前急需解决的问题。
结合图2和图3，本发明精密GNSS定位天线主要包括反射腔1、辐射下贴片2、辐射上贴片3、四个L形金属馈电探针4、第一支撑柱5、第二支撑柱6和扼流槽7。
反射腔1是一个底面封闭的金属空心圆柱体，直径160mm到170mm之间，高度30mm到35mm之间，并且通过螺钉或导电胶安装在扼流槽7顶部，通过适当提高反射腔1的腔体高度可以降低馈电探针间的耦合度，改善工作状态下天线端口反射系数，提高天线低仰角方向增益。
第二支撑柱6是一个金属圆柱体，直径在8mm到16mm之间，尺寸的选择需要结合天线整体结构可靠性，第二支撑柱6通过螺纹或导电胶连接在反射腔1的内腔底面圆心位置，且其底面圆心与反射腔1的内腔底面圆心对齐，其高度在15mm到17mm之间，该尺寸的选择除保证天线工作频率外，还要保证四个L形金属馈电探针4对辐射下贴片2的耦合馈电。
四个L形金属馈电探针4的短臂安装在反射腔1的内腔底面上且以反射腔1的内腔底面圆心为圆心，均匀分布在同一圆周上，四个L形金属馈电探针4的长臂与反射腔1的内腔底面平行且指向反射腔1的内腔底面圆心。与传统探针直接连接馈电相比，由于L形金属馈电探针的电容耦合作用，改善了输入端口的阻抗特性，经过实验验证，这种方式可将天线工作带宽拓展至20％～30％，增加天线的频率覆盖范围，以保证本发明天线能够覆盖GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的频率范围。
四个L形金属馈电探针4分布如图4所示，四馈电探针沿直径为118mm到122mm之间的圆周均匀分布，相邻两个馈电探针的夹角为90度。四个L形金属馈电探针4短臂长度在7mm到9mm之间，长臂长度在40mm到45mm之间。本发明采用四点馈电方式，并且馈入信号幅度相等，相位依次相差90度，实现右旋圆极化(沿天线电磁波传播方向，天线所辐射的电场矢量随时间顺时针方向旋转且矢量末端轨迹变化呈圆形的极化形式称为右旋圆极化)，探针采用厚度为1mm的金属材料，宽度为5mm左右，与现有的一点自圆极化和两点馈电形成圆极化相比，由于馈电结构的对称性，可有效抑制不必要的高次模式的传输，提高天线传输主模的纯度，降低天线交叉极化，在拓展天线匹配特性的同时，有效的改善天线在宽角域范围内的辐射特性，提高天线在宽角域范围内的轴比、相位中心特性以及低仰角的抗多径干扰能力。馈入信号可通过一分四功分馈电网络实现，其输出端通过金属芯针与四个L形金属馈电探针4直接焊接，并通过螺钉固定在反射腔1背部腔内，形成封闭的天线系统，减小空间辐照等环境对介质材料的影响。
辐射下贴片2为直径在99mm到101mm之间、厚度2mm左右的圆形金属片且通过螺纹或导电胶连接在第二支撑柱6顶部，与第二支撑柱6同心，辐射下贴片2高于L形金属馈电探针4的高度且低于反射腔1的腔体高度。辐射上贴片3为直径在65mm到75mm之间、厚度2mm左右圆形金属片且通过螺纹或导电胶连接在第一支撑柱5顶部，辐射上贴片3与第一支撑柱5同心且辐射上贴片3高于反射腔1的腔体高度。
第一支撑柱5是一个与第二支撑柱6直径相同的金属圆柱体且通过螺纹或导电胶连接在辐射下贴片2上，第一支撑柱5与辐射下贴片2同心，第一支撑柱5的高度在19mm到21mm之间。
辐射贴片可采用采用三角形、矩形、五边形等其他形状，相比而言，圆形贴片性能最优，并且加工简单，外观美观，因而采用圆形金属片。上层贴片的应用可展宽工作频带，提高方向性，改善端口间的隔离度。
扼流槽7采用金字塔形状，四个扼流环高度由里向外递减，各扼流环等深等间距，相比与平面扼流槽，金字塔形式扼流槽的扼流环高度由里向外递减，形成一定的高阻抗斜面，能够更好的抑制低仰角方向的多径信号，并且经过大量的仿真及试验验证，金字塔形式扼流槽性能更优，对天线低仰角方向的多径信号抑制能力更强，能够更好的改善天线的抗多径能力，适当提高天线辐射单元固定高度，可展宽波束范围，增强天线的信号接收能力。扼流槽6间距25mm，深度65mm，阶梯渐变为20mm。
为了进一步降低天线输入端口间的耦合度，改善天线在工作状态下的端口反射系数，减小因端口间的不匹配而导致的增益损失，提高天线辐射效率。还可以在辐射上贴片3上开孔，圆孔沿直径20mm～25mm圆周均匀分布，圆孔直径为6mm到8mm之间，适当调整圆周半径，可以使工作状态下的端口特性最优。
下面给出一个具体实施例：
1、反射腔1的腔体高度为35mm，腔体直径160mm，腔壁厚度2mm，金属材料；
2、辐射上贴片3的直径为70mm，厚度2mm，金属材料，辐射上贴片上圆孔沿直径20mm圆周均匀分布，圆孔直径为6mm，辐射下贴片2的直径为100mm，厚度2mm，也为金属材料；
3、第一支撑柱5的高度为20mm，直径16mm，第二支撑柱6的高度为16mm，直径16mm；第一支撑柱5和第二支撑柱6通过螺纹连接，辐射上贴片3和辐射下贴片2通过第一支撑柱5和第二支撑柱6螺纹压接，上述支撑柱均为金属制造。
4、四个L形金属馈电探针4短臂均匀分布的圆周，直径200mm，四个L形金属馈电探针4短臂在8mm，为直径2.5mm的金属圆柱，长臂长度45mm、宽度5mm、厚度1mm金属片；
5、扼流槽7为金字塔结构，四个扼流环高度由里向外递减，并且各扼流环等深等间距，间距25mm，深度65mm，阶梯渐变为20mm，扼流槽也为金属制造。
经过大量仿真及加工测试，该实施例天线能够充分覆盖GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的频率范围，并且在-60°到+60°角域范围内相位中心稳定度≤2mm，增益高于-1dB，轴比小于3.5dB，天线增益的前后比大于20dB。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
Claims (8)
1.一种精密GNSS定位天线，其特征在于：包括反射腔(1)、辐射下贴片(2)、辐射上贴片(3)、四个L形金属馈电探针(4)、第一支撑柱(5)、第二支撑柱(6)和扼流槽(7)；
所述反射腔(1)是一个底面封闭的金属空心圆柱体且安装在扼流槽(7)顶部，所述第二支撑柱(6)是一个金属圆柱体，并且所述第二支撑柱(6)安装在所述反射腔(1)的内腔底面圆心位置，所述第二支撑柱(6)的底面圆心与所述反射腔(1)的内腔底面圆心对齐，四个L形金属馈电探针(4)的短臂安装在所述反射腔(1)的内腔底面上且以所述反射腔(1)的内腔底面圆心为圆心，均匀分布在同一圆周上，四个L形金属馈电探针(4)的长臂与所述反射腔(1)的内腔底面平行且指向所述反射腔(1)的内腔底面圆心，
所述辐射下贴片(2)为圆形金属片且安装在第二支撑柱(6)顶部，辐射下贴片(2)与第二支撑柱(6)同心，辐射下贴片(2)高于L形金属馈电探针(4)的高度且辐射下贴片(2)低于反射腔(1)的腔体高度，
所述第一支撑柱(5)是一个金属圆柱体且安装在辐射下贴片(2)上，第一支撑柱(5)与辐射下贴片(2)同心，
所述辐射上贴片(3)为圆形金属片且安装在第一支撑柱(5)顶部，辐射上贴片(3)与第一支撑柱(5)同心且辐射上贴片(3)高于反射腔(1)的腔体高度；
所述扼流槽(7)为金字塔结构，四个扼流环高度由里向外递减，并且各扼流环等深、等间距。
2.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述辐射上贴片(3)的直径在65mm到75mm之间。
3.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述辐射下贴片(2)的直径在99mm到101mm之间。
4.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述第一支撑柱(5)的高度为19mm到21mm之间。
5.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述第二支撑柱(6)的高度为15mm到17mm之间。
6.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述四个L形金属馈电探针(4)的短臂均匀分布的圆周，直径为118mm到122mm之间。
7.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述四个L形金属馈电探针(4)的短臂长度为7mm到9mm之间，长臂长度为40mm到45mm之间。
8.根据权利要求1所述一种精密GNSS定位天线，其特征在于，所述反射腔(1)的腔体高度在33mm到35mm之间。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |