CN102074791A - 一种全频段宽波束gps天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全频段宽波束GPS天线，包括两对工作在频带高端的十字交叉偶极子组成寄生交叉偶极子，和工作在频段低端的直接馈电十字交叉偶极子，所述寄生交叉偶极子寄生在所述工作在频段低端的直接馈电十字交叉偶极子的顶部，利用这两对交叉偶极子相互靠近的谐振特性从而展宽了天线的工作带宽。

Description

一种全频段宽波束GPS天线

技术领域

本发明所述的宽频带GPS天线可应用于全球定位系统(GPS)的三个频段，L1、L2和L5，频率分别为1575.42MHZ、1227.60MHZ和1176.45MHZ。也可应用于伽利略(Galileo)系统的5个频段：E1、E2、E5a、E5b和E6频率分别为1589.742MHZ，1561.098MHZ，1176.45MHZ，1207.14MHZ，1278.75MHZ。同时还覆盖了将来的GNSS(Global Navigation Satellite System)频段1.15GHZ-1.60GHZ。

背景技术

现有的GPS天线种类很多，但大多数工作在双频或者单频，即L1＝1575.42MHZ，L2＝1227.60MHZ，而且工作带宽相对来说比较窄。目前应用与GPS的天线主要有螺旋天线，四臂螺旋天线，以及微带天线。其中四臂螺旋天线的带宽相对能宽一些。大多数GPS卫星通信天线只覆盖了GPS频段中的L1，及伽利略系统中的E1和E2[1-3]，在[1]中天线覆盖的频率范围为1.5G-1.72G，只覆盖了GPS频段中的L1，在[3]中提到的天线覆盖了GPS的两个频段，即：1575.42MHZ、1191.795MHZ，本文所述的GPS天线覆盖了GPS的3个频段(L1，L2，and L5，即1575，1227，and 1176MHz)，也就是包含了现在GPS所用到的所有频段。在GPS的不断发展和需求的变化中对宽带的GPS的需求开始出现[4]，[4]中所提到的GPS天线的工作带宽为1.15G---1.60GHz.在[4]中为了让交叉振子辐射圆极化的电磁波，一般的十字交叉振子的两臂不等长，但是这样的交叉振子的工作带宽相应地比较窄。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种全频段宽波束GPS天线。

一种全频段宽波束GPS天线，包括工作在频带高端的寄生十字交叉偶极子，和工作在频段低端的直接馈电十字交叉偶极子，所述寄生交叉偶极子寄生在所述两对工作在频段低端的直接馈电十字交叉偶极子的顶部，利用这两对交叉偶极子相互靠近的谐振特性从而展宽了天线的工作带宽。

所述的全频段宽波束GPS天线，所述寄生交叉偶极子的臂长和直接馈电交叉偶极子的臂长是不相等的，因此这两对交叉偶极子会谐振在整个天线工作频段的不同部分(寄生交叉偶极子谐振在天线工作频段的高端部分，直接馈电交叉偶极子会谐振在天线工作频段的低端部分)。

所述的全频段宽波束GPS天线，所述寄生交叉偶极子的四个臂由一个圆片连接，其中一个偶极子上的电流的相位和另外一个偶极子上的电流的相位相差90°。

所述的全频段宽波束GPS天线，直接馈电交叉偶极子和寄生交叉偶极子的每个臂都下倾一个角度，从而使电流沿着交叉振子的臂下倾，从而展宽了天线的3dB波瓣宽度。

所述的全频段宽波束GPS天线，其最佳下倾角度为30°。

所述的全频段宽波束GPS天线，利用刚性同轴线对直接馈电交叉偶极子进行馈电，同时刚性同轴线也对整个天线的辐射体部分起支撑的作用。

所述的全频段宽波束GPS天线，还包括巴伦结构，所述巴伦结构包括所述刚性同轴线和一圆柱形金属支柱。

所述的全频段宽波束GPS天线，还包括台锥，所述台锥位于天线地板上面。

所述的全频段宽波束GPS天线，还包括Lange耦合器，所述Lange耦合器是一个正交馈电网络，使交叉振子能够辐射圆极化电磁波。

(1)本发明利用寄生的思想从而提供一种全频段的GPS天线。即两对工作在频带高端的十字交叉偶极子寄生在两对工作在频段低端的十字交叉偶极子的顶部，利用这两对交叉偶极子相互靠近的谐振特性从而展宽了天线的工作带宽。

(2)本发明利用直接馈电交叉偶极子和寄生交叉偶极子的谐振特性，当寄生交叉偶极子的臂长和直接馈电交叉偶极子的臂长之间的差比较大时，此天线就会产生两个谐振点，结果此天线就具有良好的双频特性。

(3)本发明中的寄生交叉偶极子的四个臂由一个圆片连接，寄生辐射体(寄生交叉偶极子)的其中一个偶极子上的电流的相位和另外一个偶极子上的电流的相位相差90°，从而其自身辐射的电磁波为圆极化电磁波。

(4)本发明中直接馈电交叉振子和寄生交叉振子的每个臂都下倾一个角度，从而使电流沿着交叉振子的臂下倾，从而展宽了天线的3dB波瓣宽度，最佳下倾角度为30°。

(5)本发明中利用刚性同轴线对天线进行馈电，同时刚性同轴线也对整个天线的辐射体部分起到了支撑的作用。为了使直接馈电交叉偶极子中的每个偶极子两条臂上面的电流得到平衡，我们利用一根刚性同轴线和一根圆柱形金属支柱构成了一个巴伦结构，从而使交叉振子中的每个偶极子的两条臂上的电流得到了平衡。

(6)本发明中利用给天线地板上面加载台锥从而对天线起到了一定的匹配作用，从而使带内的驻波更加平滑，驻波更小。同时加载的台锥能够耦合一部分电磁能量，从而台锥也参与了辐射，其辐射的方向图正好填补了交叉振子辐射较小的方向，结果展宽了整个天线的辐射方向图。

(7)本发明所设计的技术可以使天线产生较高的隔离度。

(8)本发明中大的天线地板起到了抑制交叉振子双向辐射的作用。

(9)本发明中Lange耦合器是一个正交馈电网络，使交叉振子能够辐射圆极化电磁波。

本发明提出了一种新型的全频段的GPS天线，其工作带宽可以覆盖所有的GPS频带，即：L1、L2和L5，频率分别为1575.42MHZ、1227.60MHZ和1176.45MHZ。也可应用于伽利略(Galileo)系统的5个频段：E1、E2、E5a、E5b和E6频率分别为1589.742MHZ，1561.098MHZ，1176.45MHZ，1207.14MHZ，1278.75MHZ。同时还覆盖了将来的GNSS(Global Navigation Satellite System)频段：1.15GHZ-1.60GHZ。

附图说明

图1本发明天线的俯视图；

图2本发明天线的侧视图；

图3本发明天线刚性同轴线C1横截面示意图；

图4本发明天线刚性同轴线C2横截面示意图；

图5本发明天线角度E和F的示意图；

图6本发明天线兰格耦合器示意图；

图7本发明天线Lange耦合器立体示意图；

图8带有馈电网络时天线的反射系数及隔离度；

图9本发明天线仿真和测试回波损耗；

图10本发明天线仿真和测试S21；

图11本发明天线方向图的仿真和测试结果。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

图1是本实施例天线的俯视图，图2是天线在图1中a-a侧视图，本发明中所述的天线由以下几个部分组成：辐射体(1，2，3，4和5组成的寄生交叉振子和6，7，8和9组成直接馈电的交叉振子)、巴伦25、台锥14、金属地面17、Lange耦合器18、SMA接头19。

1，2，3，4，是高频部分的辐射片，1和3组成一个对称振子，1和3之和的长度是λ₁/2(λ₁所对应的频率1.30GHz为)。2和4组成一个对称振子，2和4之和的长度是λ₁/2。5是一个金属圆片，它的作用是把1和3组成的振子与2和4组成的振子连接起来。1，2，3，4和5组成的交叉振子是通过寄生馈电的，即1，2，3，4和5组成的交叉振子通过把其底部交叉振子辐射的一部分能量耦合过来，从而在1，2，3，4和5组成的交叉振子的表面上面激励起了电流，使其本身谐振在所对应的电长度上，结果使1，2，3，4和5组成的交叉振子能够辐射电磁波。1，2，3，4和5组成的交叉振子工作在整个频带的高端部分。6和8组成一个对称振子，6和8的长度之和小于λ₂/2，(λ₂所对应的频率为1.53GHz)7和9组成一个振子，7和9的长度之和小于λ₂/2。6，7，8和9组成了一个交叉振子。6，7，8和9组成的交叉振子是通过刚性同轴线直接馈电的。

C1是一根刚性同轴线，C1是用来给6和8组成的振子进行馈电的。图3是C1的横截面示意图，10是刚性同轴线C1的外导体，11是刚性同轴线C1的中芯导体。把同轴线C1的一端的外导体剥去7mm，A是同轴线C1具有刚性外导体的部分，B是C1剥去外导体后具有绝缘外皮的部分。A部分刚性同轴线的长度是λ/4。把C1的A部分和B部分折成90°，使B与A相互垂直。C1的外导体10与辐射片6互相垂直地焊接在一起，如图1中所示，B部分剥去绝缘外皮的中心导体与辐射片8焊接在一起，从而达到了通过同轴线C1给6和8组成的振子进行馈电的目的，12是一个圆柱形金属支柱，12与辐射片8相互垂直地焊接在一起。结果C1和12组成了一个巴伦结构。C1和12组成的巴伦结构可以使6和8组成的振子的两臂上面的电流得到平衡。

C2是一根刚性同轴线，C2是用来给7和9组成的对称振子进行馈电的，15是刚性同轴线C2的外导体，16是刚性同轴线C2的中芯导体，把同轴线C2一端的外导体剥去7mm，C是同轴线C1具有刚性外导体的部分，D是C1剥去外导体后具有绝缘外皮的中芯导体部分。C部分刚性同轴线的长度是λ/4。把C2的C部分和D部分折成90°，使D与C相互垂直。C2的外导体15与辐射片7互相垂直地焊接在一起，如图1中所示，D部分剥去绝缘外皮的中心导体与辐射片9相焊接在一起，从而达到了通过同轴线C2给7和9组成的对称振子进行馈电的目的。13是一个圆柱形金属支柱，13与辐射片9相互垂直地焊接在一起。结果C2和13组成了一个巴伦结构。C2和13组成的巴伦结构可以使7和9组成的对称振子两条臂上面的电流得到平衡。

C1的B部分与C2的D部分相互垂直地交叉成“十”字，使得6和8组成的对称振子与7和9组成的对称振子在结构上形成互相垂直地放在一起的两对振子。即6，7，8和9构成了一个通过刚性同轴线直接馈电的交叉振子。

辐射片1、2、3、4、5、6、7和8都向下倾斜了一个角度，它们与水平面的夹角为E，E＝30°。这样电流沿着振子的臂向下倾斜，从而展宽了方向图。

寄生交叉振子和直接馈电交叉振子是通过绝缘的介质螺丝连接在一起的，作用是固定寄生交叉振子，寄生交叉振子与馈电交叉振子的距离会影响到整个天线的辐射特性，它们之间的最佳距离是4mm，寄生交叉振子与馈电交叉振子之间垫有长为4mm的绝缘介质螺母，从而使得寄生交叉振子的每个臂和馈电交叉振子的每个臂(1和6，2和7，3和8，4和9)之间均匀地保持4mm的距离。用来保持距离的长为4mm绝缘介质螺母拧在用来固定寄生辐射片的绝缘介质螺丝的上面。20和21为用来固定寄生交叉振子的绝缘介质螺丝。

C1在台锥上面的部分和圆柱形金属支柱12共同组成一个巴伦，由于天线的辐射体部分是由寄生的交叉振子和馈电交叉振子组成的，对于每对振子来说，在没有巴伦的情况下它的两个臂上的电流是不平衡的。因此，为了平衡每一对振子的两臂上的电流就引入了巴伦结构。C1和12组成的巴伦是为了平衡6和8组成的振子两臂上面的电流的。同时，C2和另外一个金属支柱13组成了一对巴伦，用来平衡7和9组成的振子两臂的电流。C1和12、C2和13共同组成两对巴伦结构，即图2中的25。

14是一个金属台锥，如图2所示，台锥14的底面半径是56mm，高为25mm，14的斜面与底面的夹角为F，F＝31°。U是14顶部的面，在U上画一个以U的中心为圆心，半径为5mm的圆，在此圆上打两个孔，这两个孔的圆弧距离为四分之一圆弧，孔的半径跟刚性同轴线的半径一致，为1mm。让C1和C2穿过这两个孔，C1和C2在台锥上面的部分的长度与12和13的长度一样，均为λ/4(λ为天线工作的中心频率1.38G所对应的波长)，即：54mm。金属支柱12和13落在U上以U为中心的圆的四分之一圆弧上，C1、C2、12和13落在以U的中心为圆心，半径为5mm的圆上，C1、C2、12和13之间的圆弧距离均为四分之一圆弧。把C1和C2的外导体与U焊接在一起，同时把圆柱形金属支柱12和13焊在U上。

台锥14能使天线的输入阻抗得到良好的匹配，展宽频带，并使天线的方向图得到一定的展宽。

图6为给天线提供正交馈电网络的Lange耦合器，即图2中的18，Lange耦合器的工作频率为1.1G-1.65G，18的作用是给天线进行90度正交馈电，使天线辐射出去的电磁波为右旋圆极化电磁波。18放置在天线地板17的背面，g为18的地板，把18的g和天线的地板焊接在一起。21是Lange的输入端口，22和23是Lange耦合器的两个输出端口，把刚性同轴电缆C1的另一端的中心导体和22焊接在一起，C2另一端的中心导体和23焊接在一起，同轴线C1和C2的外导体10和15焊接在天线的平面地板17上。

台锥14的底边与平面地板17焊接在一起。

19是一个SMA接头，19的芯和18的输入端口21焊接在一起，19的法兰和天线的平面地板17焊接在一起。

实施例2：

本发明中的天线可以应用在北斗系统中，只要使寄生交叉振子的每对振子的两臂长的和为60.5mm，直接馈电的交叉振子的每对振子的两臂长的和为92mm。结果就会得到能够工作在北斗系统频率上的一副北斗天线。此北斗天线的其他结构与上述实施例一中的天线结构完全一直。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种全频段宽波束GPS天线，其特征在于，包括工作在频带高端的寄生交叉偶极子，和工作在频段低端的直接馈电交叉偶极子，所述寄生交叉偶极子寄生在所述工作在频段低端的直接馈电十字交叉偶极子的顶部，利用这两对交叉偶极子相互靠近的谐振特性从而展宽了天线的工作带宽。

2.根据权利要求1所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，所述寄生交叉偶极子的臂长和直接馈电交叉偶极子的臂长不相等。

3.根据权利要求1所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，所述寄生交叉偶极子的四个臂由一个圆片连接，其中一个偶极子上的电流的相位和另外一个偶极子上的电流的相位相差90°。

4.根据权利要求1所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，直接馈电交叉偶极子和寄生交叉偶极子的每个臂都下倾一个角度，从而使电流沿着交叉振子的臂下倾，从而展宽了天线的3dB波瓣宽度。

5.根据权利要求4所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，最佳下倾角度为30°。

6.根据权利要求1所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，利用刚性同轴线对直接馈电交叉偶极子进行馈电，同时刚性同轴线也对整个天线的辐射体部分起支撑的作用。

7.根据权利要求6所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，还包括巴伦结构，所述巴伦结构包括所述刚性同轴线和一圆柱形金属支柱。

8.根据权利要求6所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，还包括台锥，所述台锥位于天线地板上面。

9.根据权利要求6所述的全频段宽波束GPS天线，其特征在于，还包括Lange耦合器，所述Lange耦合器是一个正交馈电网络，使交叉振子能够辐射圆极化电磁波。

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