CN102623800B - 一种多模高精度卫星导航天线 - Google Patents
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Abstract
一种多模高精度卫星导航天线。包括上部谐振贴片（1）、中部谐振贴片（2）、下部接地贴片（3）和至少两件馈电探针（4），上部谐振贴片与中部谐振贴片处同一中心轴线，馈电探针（4）位于接地贴片和中部谐振贴片中间部位的通孔内，沿圆周分布，且与上部谐振贴片和中部谐振贴片处同一中心轴线，馈电探针下端与电路板（5）电路连接；馈电探针（4）上端设置贴片（6），贴片（6）位于上部谐振贴片和中部谐振贴片的平面范围内；接地贴片、中部谐振贴片、上部谐振贴片、馈电探针及其贴片各构件之间均设有绝缘介质层（7），绝缘介质层对所述各构件形成支撑定位而构成整体；带宽可覆盖GNSS系统的所有频段，并具有稳定的相位中心。
Description
技术领域
本发明涉及卫星导航天线，具体为一种全球卫星导航系统（GNSS）天线。
背景技术
目前正在运行或部分运行的全球定位系统有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧盟的Galileo以及中国的北斗系统。根据各系统所使用的工作频率，可大致区分GNSS的高低两个工作频段，即1559-1610MHz与1164-1300MHz，且每一定位系统的高低工作频率分别处在所述高低两个频段中的不同区间。
导航天线作为卫星导航系统的前端核心元件，影响信号接收的因素主要有接收定位系统工作频率的带宽、波束范围及圆极化性能，其带宽能同时覆盖多个定位系统高低两个频段中的工作频率的即所谓多模式导航天线。
目前应用的导航天线主要有螺旋天线、缝隙螺旋天线和双频贴片天线。螺旋天线为宽带天线，能覆盖GNSS频段，但由于需要一个四分之一波长的反射腔，因此天线整体笨重，体积较大，占用空间较大，结构相对复杂，制造成本较高；而缝隙螺旋天线也有同样的问题。
现有双频贴片天线，其结构包括位于上部的高频谐振贴片和位于中部的低频谐振贴片，以及位于下部的接地贴片，还包括位于接地贴片和低频谐振贴片中间部位通孔内的馈电探针，馈电探针的上端与高频谐振贴片连接，馈电探针的下端与具有宽带移相功分器的电路板电路连接，所述各构件之间均设有绝缘介质层，所述高频谐振贴片外形尺寸小于低频谐振贴片外形尺寸，高频谐振贴片位于低频谐振贴片的平面范围内，且处于同一中心轴线，所述高频谐振贴片和低频谐振贴片分别谐振于定位系统的高低两个频段之内。现有的双频贴片天线具有结构简单、制造成本较低、体积较小、占用空间小等特点；但由于现有的双频贴片天线的馈电探针上端与高频谐振贴片连接，引入了较强的电感，导致匹配带宽比较窄，因此不能同时覆盖GNSS的所有频段。
发明内容
针对现有双频贴片天线存在的不足，本发明的目的是提供一种可同时覆盖全球卫星导航系统（GNSS）所有频段的多模高精度卫星导航天线。
实现本发明目的的技术方案，基于对现有双频贴片天线进行改进，参见图1，包括：
上部谐振贴片1；
中部谐振贴片2，所述上部谐振贴片1与中部谐振贴片2处于同一中心轴线；
下部的接地贴片3；
至少设有两件馈电探针4，且沿圆周均布，馈电探针4分别位于接地贴片3和中部谐振贴片2中间部位的通孔内，并与上部谐振贴片1和中部谐振贴片2处于同一中心轴线，馈电探针4下端与具有宽带移相功分器的电路板5电路连接；
改进的内容包括：
所述馈电探针4上端设置贴片6，贴片6位于上部谐振贴片1与中部谐振贴片2之间，并位于上部谐振贴片1和中部谐振贴片2的平面范围内，贴片6的作用是可引入更多电容，所引入的电容可以抵消馈电探针本身的电感，可有效扩展高低两个频段的带宽；
所述接地贴片3、中部谐振贴片2、上部谐振贴片1、馈电探针4及其贴片6各构件之间均设有绝缘介质层7，即绝缘介质层7将所述各构件隔开而不接触，绝缘介质层7对所述各构件形成支撑定位而构成整体。
进一步的是：
所述上部谐振贴片1为高频谐振贴片，中部谐振贴片2为低频谐振贴片，或者是上部谐振贴片1为低频谐振贴片，中部谐振贴片2为高频谐振贴片；所述高频谐振贴片外形尺寸小于低频谐振贴片外形尺寸，高频谐振贴片位于低频谐振贴片的平面范围之内，所述高频谐振贴片和低频谐振贴片分别谐振于定位系统的高低两个频段之内。
与现有技术比，本发明具有的技术效果是：
1、由于馈电探针4上端设有可引入更多电容的贴片6，贴片6且位于上部谐振贴片1与中部谐振贴片2之间，贴片6与上部谐振贴片1和中部谐振贴片1不接触，可同时与高频谐振贴片和低频谐振贴片实现电容性耦合馈电，由于贴片6所引入的电容可以抵消馈电探针本身的电感，因此，有效扩展了高低两个频段的带宽，使之带宽能够覆盖GNSS系统的所有频段。
2、由于馈电探针4上端设有可引入更多电容的贴片6，并通过电路板5内的宽带移相器等单元的作用，一方面可以扩展天线的圆极化带宽，另一方面避免天线的相位中心随频率发生偏移，可提高定位精度。
本发明具有的其他技术效果将在具体实施方式中进一步说明。
附图说明
图1为本发明方案的结构示意图，并确定为摘要附图；
图2为图1中的A-A视图，其绝缘介质层7未示出；
图3为电路板5的电路原理图；
图4为本发明回波损耗随频率变化的测试结果图；
图5为本发明轴比随频率变化的测试结果图；
图6、图7、图8分别为对应于频率1.164Ghz、1.227GHz以及1.575GHz的归一化方向测试结果图。
具体实施方式
参见附图。
本发明包括上部谐振贴片1、中部谐振贴片2，以及位于下部的接地贴片3，还包括至少设有两件的馈电探针4，所述上部谐振贴片1与中部谐振贴片2处于同一中心轴线，至少设有两件的馈电探针4分别位于接地贴片3和中部谐振贴片2中间部位的通孔内，且沿圆周均布，并与上部谐振贴片1和中部谐振贴片2处于同一中心轴线，馈电探针4的下端与具有宽带移相功分器的电路板5电路连接；所述馈电探针4上端设置贴片6，贴片6位于上部谐振贴片1与中部谐振贴片2之间，并位于上部谐振贴片1和中部谐振贴片2的平面范围内，贴片6可引入更多电容，可同时与高频谐振贴片和低频谐振贴片实现电容性耦合馈电；所述接地贴片3、中部谐振贴片2、上部谐振贴片1、馈电探针4及其贴片6各构件之间均设有绝缘介质层7，即绝缘介质层7将各构件隔开而不接触，绝缘介质层7对所述的各构件形成支撑定位而构成整体。
所述上部谐振贴片1为高频谐振贴片，中部谐振贴片2为低频谐振贴片，或者是上部谐振贴片1为低频谐振贴片，中部谐振贴片2为高频谐振贴片，所述高频谐振贴片外形尺寸小于低频谐振贴片外形尺寸，高频谐振贴片位于低频谐振贴片的平面范围之内。
所述至少设有两件的馈电探针4，沿圆周均布，以获得良好的圆极化性能；当电探针4为两件时，其相位相差为180度（馈电探针连接的端口相对相位可以分别为0度，180度），当为三件时，其相位相差为120度，当为四件时，其相位相差为90度，依次类推；通常情况下，馈电探针数量越多，在保证馈电相位的情况下，圆极化性能越好；实施中，馈电探针数量优选偶数，一般不宜超过8件，考虑到制造成本并同时具有良好的工作性能，馈电探针数量可优先考虑四件（图2中分别以4a、4b、4c、4d表示）。
所述电路板5连接于绝缘介质层7的底部，使得结构紧凑、占用空间小；图3所示的电路原理图及其功分器单元5a和宽带移相器单元5b及各元器件的参数，已为本领域技术人员所应用。
所述高频谐振贴片、低频谐振贴片、接地贴片3、馈电探针4及其贴片6宜为具有良好传导性能的金属材质，优选铜质材料。
所述绝缘介质层7的材质，可采用环氧或聚四氟乙烯等材料，绝缘材料的损耗角一般宜为0.01-0.04量级；通常情况，绝缘材料损耗角越低，电磁波损耗越小，天线接收效率越高。
所述高频谐振贴片、低频谐振贴片、接地贴片3、贴片6优选圆盘型结构。
所述高频谐振贴片与低频谐振贴片的半径之比，在采用相同材质时宜为1:1.1~1.3，但不限于。
所述馈电探针4上端的贴片6与高频谐振贴片的半径之比，在采用相同材质时宜为1:8~12，但不限于。
所述馈电探针4与中心轴线之间的距离与高频谐振贴片的半径之比，在采用相同材质时宜为1:1.3~1.7，但不限于。
本发明的实验实例：
上部谐振贴片1为高频谐振贴片，中部谐振贴片2为低频谐振贴片，高频谐振贴片半径为31.5毫米，低频谐振贴片半径为35毫米，接地贴片半径为70毫米，贴片6半径为3.4毫米，均采用铜质材料，馈电探针4的设置如图2所示，为四件，即采用四点馈电，馈电探针4距中心轴线的距离为21毫米，馈电探针采用铜质材料；绝缘介质层7采用聚四氟乙烯板材。
上述实验实例的主要测试结果如下：
图4为本发明回波损耗随频率变化的测试结果图，图中虚线表示仿真曲线，实线表示回波损耗测试结果曲线，图示表明测试结果与仿真结果趋于一致，最终的测试回波损耗在1.1-1.7GHz之间都小于-10dB，说明本发明天线在GNSS系统频段辐射效率高，即本发明天线带宽覆盖GNSS系统工作频段的效果好。
图5为本发明轴比随频率变化的测试结果图，图中虚线表示仿真曲线，实线表示轴比测试结果曲线，图示表明轴比小于1.5dB的频率范围约为1.13-1.31GHz以及1.55-1.67GHz，说明本发明天线在GNSS系统工作频段内具有优良的圆极化性能；
图6、图7、图8分别为对应于频率1.164Ghz、1.227GHz以及1.575GHz的归一化方向测试结果图，图中实线表示右旋圆极化曲线，虚线表示左旋圆极化曲线，从图中可以看出，本发明天线波束较宽，说明本发明天线整体辐射性能好。
本说明书中所描述的各种实施结构和对本发明技术方案范围内的其他任何变型结构均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种多模高精度卫星导航天线，包括：
上部谐振贴片（1）；
中部谐振贴片（2），所述上部谐振贴片（1）与中部谐振贴片（2）处于同一中心轴线；
下部的接地贴片（3）；
至少设有两件馈电探针（4），且沿圆周均布，馈电探针（4）分别位于接地贴片（3）和中部谐振贴片（2）中间部位的通孔内，并与上部谐振贴片（1）和中部谐振贴片（2）处于同一中心轴线，馈电探针（4）下端与具有宽带移相功分器的电路板（5）电路连接；
其特征是：
所述馈电探针（4）上端设有贴片（6），贴片（6）位于上部谐振贴片（1）与中部谐振贴片（2）之间，并位于上部谐振贴片（1）和中部谐振贴片（2）的平面范围内；
所述接地贴片（3）、中部谐振贴片（2）、上部谐振贴片（1）、馈电探针（4）及其贴片（6）各构件之间均设有绝缘介质层（7），绝缘介质层（7）对所述各构件形成支撑定位而构成整体。
2.根据权利要求1所述的一种多模高精度卫星导航天线，其特征是：所述上部谐振贴片（1）为高频谐振贴片，中部谐振贴片（2）为低频谐振贴片，所述高频谐振贴片外形尺寸小于低频谐振贴片外形尺寸。
3.根据权利要求1所述的一种多模高精度卫星导航天线，其特征是：所述上部谐振贴片（1）为低频谐振贴片，中部谐振贴片（2）为高频谐振贴片，所述高频谐振贴片外形尺寸小于低频谐振贴片外形尺寸。
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