CN102110896B - 一种手持机天线 - Google Patents

Abstract

一种手持机天线，包括相互耦合的接收天线和发射天线，接收天线和发射天线均设置有中心接地孔和馈电点，接收天线的一侧设置印制板，第一电缆芯线穿过接收天线与印制板相连，发射天线的一侧设置接地印制板，第二电缆芯线穿过发射天线与接地印制板相连，第三电缆芯线贯穿通过中心接地孔、印制板和接地印制板，第一电缆与发射天线的馈电点相连，第二电缆与接收天线的馈电点相连，第一电缆和第二电缆配置有双阴头射频连接器，将发射天线辐射面作为接收天线的接地板，当接收天线谐振和辐射时，发射天线作为接地面，当发射天线谐振和辐射时，接收天线作为电感性的耦合元件，形成了电磁耦合，具有隔离度高、外形小的特点。

Description

一种手持机天线

技术领域

本发明涉及天线领域，具体涉及一种手持机天线，应用于手持式北斗卫星导航定位系统。 

背景技术

北斗卫星定位导航系统是我国正在大力推进的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，它由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由两颗地球静止轨道卫星，一颗在轨备份卫星组成，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站；用户段由北斗用户终端以及能与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 

一代北斗卫星导航定位系统的基本工作原理是“双星定位”：以2颗在轨卫星的已知坐标为圆心，各以测定的卫星至用户终端的距离为半径，形成2个球面，用户终端将位于这2个球面交线的圆弧上。地面中心站配有电子高程地图，提供一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。用数学方法求解圆弧与地球表面的交点即可获得用户的位置。 

一代北斗卫星导航系统采用的是有源定位，而GPS、GLONASS都是无源定位，这是它们本质上的不同点。 

所谓有源定位就是用户需要通过地面中心站联系及地面中心站的传输，通讯就不必通过其他的通讯卫星了。GPS和GLONASS没有设 计通讯功能，主要原因就在于不需要地面站中转服务的无源定位不能提供通讯服务。 

由于北斗卫星导航定位系统要求有源应答，所以天线要求同时兼顾收发功能，与GPS全球卫星导航系统相比，这势必增加了我们的地面用户系统研发难度。 

目前市场上北斗天线，一种是车载北斗天线所采用的发射天线采用微带双馈方形贴片模式，接收天线采用一组不平衡的正交曲线振子来实现圆极化，这两种模式优点是增益高，但外部颠簸振动对接收天线影响较大，且不易实现小型化。另一种为北斗手持机天线，实现原理也为微带双馈方形贴片模式，其小型化程度受到了匹配网络制约；同时发射天线和接收天线之间隔离度低。 

微带双馈电方形贴片天线形成圆极化的原理是：通过两点馈电，在方形微带贴片中激励起两个简并的正交模，并使此两模等幅且相位差90°，就能得到圆极化波的辐射，而要保证两模式产生等幅且相位差为90°，原理上是通过威尔金森功率分配器来实现的，所谓威尔金森功率分配器是一种有耗三端口网络，它可以做到三端口均为50Ω阻抗匹配且输出端口具有隔离，实现任意的功率分配比，且可以很方便地用微带线或带状线来做，广泛应用与阵列天线馈电网络、固态发射机放大链等装置中。 

综上所述，现有手持机天线不易实现小型化，隔离度低。 

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种手持 机天线，由不同波段的圆极化天线，依次构成工作频率自上而下由高到低的共轴层叠结构，上层和下层分别采用两个微带圆极化天线，具有隔离度高、外形小的特点。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是： 

一种手持机天线，包括相互耦合的接收天线1和发射天线2，接收天线1和发射天线2均设置有中间接地孔和馈电点，接收天线1的一侧设置印制板3，第一电缆芯线10穿过接收天线1与印制板3相连，发射天线2的一侧设置接地印制板4，第二电缆芯线11穿过发射天线2，发射天线2的馈电点16与接地印制板4相连，第三电缆芯线9贯穿通过中间接地孔15、印制板3和接地印制板4，第一电缆7与发射天线2的馈电点16相连，第二电缆13与接收天线1的馈电点14相连，第一电缆7和第二电缆13配置有双阴头射频连接器8。 

所述的双阴头射频连接器8与北斗系统相连。 

所述的接收天线1的馈电点14与中心接地孔15同轴。 

所述的发射天线2的馈电点16与中心接地孔15的距离为4毫米。 

所述的第一电缆芯线10、第二电缆芯线11、第三电缆芯线9、第一电缆7和第二电缆13的电阻值均为50欧。 

所述的一种手持机天线的长为40毫米，宽为40毫米，高为17毫米。 

本发明的有益效果是： 

1、低仰角、辐射性能好，发射天线增益大于-3dB(仰角10°以上)，接收天线增益大于-2.5dB(仰角10°以上)；现有手持机天线发射天线增益大于-3.5dB(仰角10°以上)，接收天线增益大于-3dB(仰角10°以上)。 

2、隔离度高，达到16dB以上，现有手持机天线只有12dB； 

3、外形小，天线尺寸为40mm×40mm×17mm(长×宽×高)，现有 

手持机天线外形52.8mm×52.8mm×17.5mm(长×宽×高)； 

4、重量轻，便于批量加工生产的优点。 

附图说明

图1是本发明的单馈方形贴片圆极化天线示意图，其中，图1(a)是对角线顶端馈电图；图1(b)是另一种对角线顶端馈电图，图1(c)是一边中点馈电图。 

图2是本发明的接收天线的结构示意图。 

图3是本发明的发射天线的结构示意图。 

图4是本发明的接收天线和发射天线并联耦合结构示意图。 

图5是本发明的印制板3的结构示意图，图5(a)为印制板主视图，图5(b)为印制板后视图，图5(c)为印制板剖视图。 

图6是本发明的手持机天线示意图。 

图7是本发明的天线驻波图，其中图7(a)频率为1.616GHz发射天线驻波图，图7(b)频率为2.492GHz接收天线驻波图。 

图8是本发明的天线史密斯图，其中图8(a)频率为1.616GHz发射天线史密斯图，图8(b)频率为2.492GHz接收天线史密斯图。 

图9是本发明的天线方向图，其中图9(a)频率为1.616GHz发射天线方向图，图9(b)频率为2.492GHz接收天线方向图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理、工作原理作进一步详细的描述。 

参照图2、图3和图6，一种手持机天线，包括相互耦合的接收天线1和发射天线2，接收天线1和发射天线2均设置有中间接地孔和馈电点，接收天线1的一侧设置印制板3，第一电缆芯线10穿过接收天线1与印制板3相连，发射天线2的一侧设置接地印制板4，第二电缆芯线11穿过发射天线2与接地印制板4相连，第三电缆芯线9贯穿通过中间接地孔15、印制板3和接地印制板4，第一电缆7与发射天线2的馈电点16相连，第二电缆13与接收天线1的馈电点14相连，第一电缆7和第二电缆13配置有双阴头射频连接器8。 

所述的接收天线1和发射天线2通过螺钉12固定。 

所述的双阴头射频连接器8与北斗系统相连。 

所述的一种手持机天线还包括有天线罩5与天线壳体6。 

所述的接收天线1的馈电点14与中心接地孔15同轴。 

所述的发射天线2的馈电点16与电心接地孔15的距离为4毫米。 

所述的第三电缆芯线9、第一电缆7和第二电缆13的阻抗均为50Ω。 

所述的一种手持机天线的长为40毫米，宽为40毫米，高为17毫米。 

参照图1，单馈电方形贴片天线实现圆极化的通常有以下几种： 

一种方法如图1(a)所示，它是从对角顶端处馈电，如谐振长度为a，我们将微带辐射元调整得略偏离谐振，即一边长为a+Δ，另 一边长长为a-Δ，Δ为偏离值。前者对应于一个容抗Y1＝G+jB；后者对应于另一个感抗Y2＝G-jB，其中，G为电导，B为电纳；只要调整Δ使得每一组的电抗分量等于其阻抗的实数部分，即B＝G，则两阻抗大小相等，相位差分别为-45°和+45°，这就满足了圆极化条件，从而构成了圆极化微带天线，其极化旋向取决于馈电点的接入法。 

图1(b)给出的是另一种单馈方形圆极化微带天线，它也是在对角线顶端馈电，但在贴片中央开一个与边平行的缝隙，即与馈线方向成45°角的缝隙，从而获得圆极化特性。 

图1(c)是在贴片一边的中点馈电，而在贴片中央开一个与馈线成45°角的缝隙来实现圆极化，图中所示为右旋圆极化，如果将缝隙的方向转90°或者将馈电点移到邻边的中点去，就可获得左旋圆极化。 

另外，图1中，a为谐振长度，Δ为偏离值，λe为等效介质内有效波长。 

参照图2，接收天线1设置有中心接地孔15和馈电点14。 

参照图3，发射天线2设置有中心接地孔15和馈电点16。 

手持机天线中间电场为零，中间接地孔设计为金属化过孔，电磁辐射不会影响它的功能。 

参照图4，将两天线并联，即将发射天线2辐射面作为接收天线1的接地板，当接收天线1谐振和辐射时，发射天线2作为接地面，当发射天线2谐振和辐射时，接收天线1作为电感性的耦合元件，形成了电磁耦合，使得其隔离度达到了16dB以上，同时对展宽频带也 起到一定作用。 

参照图5，印制板3包含有微带导体，为了保证阻抗匹配，微带导体阻抗应为50Ω，考虑内部空间，我们选择了介电常数4.5，1mm厚的双面覆铜环氧板作为微带导体。微带导体厚度t≠0时，微带线电路在给定Z₀和ε_r，要计算微带导体宽度，通常用下式计算： 

$\frac{w}{h}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{8e^A}{e^{2A}-2}& \frac{w}{h}\≤2\\ \frac{2}{\mathrm{\π}}[B-1-\ln (2B-1)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2{\mathrm{\ϵ}}_r}\{\ln (B-1)+0.39-\frac{0.61}{{\mathrm{\ϵ}}_r}\left\}\right]& \frac{w}{h}\≥2\end{array}\right.$

$A=\frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{{\mathrm{\ϵ}}_r}}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}(0.23+\frac{0.11}{{\mathrm{\ϵ}}_r})$

$B=\frac{3.77\mathrm{\π}}{2Z_{0\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}}$

Z₀＝50Ω 

其中：t表示微带导体厚度，w表示微带导体宽度，h表示印制板的厚度，Z₀表示标称阻抗，ε_r表示相对介电常数，e＝2.71828，A、B表示上式中的系数。 

参照图7、图8和图9，通过Ansoft hfss软件建模运算，对天线驻波、史密斯图、方向图等分析以及优化，并经调试测试，确定制作手持机天线材料的厚度，其中材料为氧化铝陶瓷板，介电常数9.5，天线板子厚2.5mm；发射天线2的尺寸为28.3mm×28.3mm，馈电点距中心接地孔4mm，接收天线1的尺寸为19mm×19mm，馈电点在中心。 

辐射单元L的计算公式： 

$L=\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\Δl}$

有效介电常数ε_e可用下式计算： 

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{(1+\frac{12h}{l})}^{-\frac{1}{2}}$

延伸量Δl的计算公式： 

$\frac{\mathrm{\Δl}}{h}=0.412-\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(1/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.258)(1/h+0.8)}$

式中c为光速，f为天线频率，h为微带基板厚度，ε_e为有效介电常数，L为辐射单元，ε_r为微带板介电常数，Δl为延伸量。 

工作原理：当发射天线2通过馈电点16加电时，这时由于馈电位置阻抗为50Ω，其两辐射边对外辐射能量相同，而形成圆极化，调节两对角的简并分离单元，形成两个相位差为90°，幅度相等的电场，从而达到圆极化的目的；而发射天线2的激励对接收天线1形成了耦合，相当于为其加载了一个电感性元件，而增加了其辐射效率，提高了天线增益。接收天线辐射面的边长，由于与来自空间所要接收的电磁波波长匹配，从而形成了谐振，产生电平信号，通过第一电缆芯线10、印制板3、第三电缆芯线9将信号接收，其圆极化原理同发射天线2相同。 

Claims (6)

1.一种手持机天线,由相互耦合的接收天线（1）和发射天线（2）组成，接收天线（1）和发射天线（2）均设置有中间接地孔和馈电点，接收天线（1）的一侧设置印制板（3），第一电缆芯线（10）穿过接收天线（1）与印制板（3）相连，发射天线（2）的一侧设置接地印制板（4），第二电缆芯线（11）穿过发射天线（2）与接地印制板（4）相连，第三电缆芯线（9）贯穿通过中间接地孔（15）、印制板（3）和接地印制板（4），第一电缆（7）与发射天线（2）的馈电点（16）相连，第二电缆(13)与接收天线(1)的馈电点(14)相连，第一电缆(7)和第二电缆(13)配置有双阴头射频连接器(8)，其特征在于，所述的接收天线（1）的馈电点（14）与中间接地孔（15）同轴，中间接地孔（15）为金属化过孔，所述接收天线（1）和发射天线（2）并联，即将发射天线（2）辐射面作为接收天线（1）的接地板，当接收天线（1）谐振和辐射时，发射天线（2）作为接地面，当发射天线（2）谐振和辐射时，接收天线（1）作为电感性的耦合元件，形成了电磁耦合。

2.根据权利要求1所述的一种手持机天线，其特征在于，印制板（3）包含有微带导体（17），为了保证阻抗匹配，微带导体（17）阻抗应为50Ω。

3.根据权利要求1所述的一种手持机天线，其特征在于，所述的双阴头射频连接器（8）与北斗系统相连。

4.根据权利要求1所述的一种手持机天线，其特征在于，所述的发射天线（2）的馈电点（16）与中心接地孔（15）的距离为4毫米。

5.根据权利要求1所述的一种手持机天线，其特征在于，所述的第三电缆芯线（9）、第一电缆（7）和第二电缆（13）的阻抗均为50Ω。

6.根据权利要求1所述的一种手持机天线，其特征在于，所述的一种手持机天线的长为40毫米，宽为40毫米，高为17毫米。

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