CN102842763A

CN102842763A - 抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线

Info

Publication number: CN102842763A
Application number: CN2012103110790A
Authority: CN
Inventors: 曹振新; 夏继钢; 梅玉顺
Original assignee: Yangzhou Baojun Electronic Co Ltd Zhongdian Science & Technology; YANGZHOU BAOJUN SUBEI ELECTRONIC CO Ltd; Southeast University
Current assignee: Suzhou Tianye Mechanical Industry Co., Ltd.
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-08-29
Also published as: CN102842763B

Abstract

一种抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，含天线罩和三维金属扼流圈，三维金属扼流圈含中心基座、第一、二、三和四扼流圈，天线罩设在中心基座上，在中心基座内设有第一和第二功分器，在天线罩内且在中心基座上设有第一、二辐射天线且由空心短路螺钉固定，在第一辐射天线与中心基座之间设第一同轴电缆，内芯一端与第一辐射天线的辐射片连，另一端与第一功分器的第一支路连，屏蔽层一端与第一辐射天线地连，另一端与第一功分器地连；在第二辐射天线与中心基座之间设有第五同轴电缆且第五同轴电缆穿过空心短路螺钉，内芯分别与第二辐射天线地连及第二功分器的第一支路连，屏蔽层分别与第二辐射天线的辐射片及第二功分器地连。

Description

抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线

技术领域

本发明涉及一种适于大地测量型卫星导航地面接收终端、高精度定位定向卫星导航地面接收终端的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其典型工作频段为L和S频段，具有结构紧凑、驻波小、轴比小、轴比带宽宽、双频隔离度高、宽波束范围内相位中心超稳定等显著优点。

背景技术

目前，美国的全球卫星导航系统、中国的北斗卫星导航系统、俄罗斯的格洛纳斯系统和欧洲正在筹建的伽利略导航系统构成全球四大卫星导航系统。这四大系统可以提供普通精度（通常为10米级）的定位，也可以提供高精度（通常为毫米级）的定位。后者主要广泛用于大地测量学及其相关领域，也广泛用于高精度定位定向领域。而其中天线技术属于核心技术，普通天线由于其相位中心的不稳定会带来厘米级及以上的误差，无法实现毫米级的超高精度定位和定向。

当前能够实现超高精度定位和定向的卫星导航系统主要是美国的全球卫星导航系统和中国的北斗系统，现有的主要针对美国全球卫星导航系统的高稳定相位中心天线主要包括两种形式：采用轴对称多馈源的微带叠层贴片天线，如Trimble公司的Zephyr测量型天线；采用“风火轮”技术的多臂平面螺旋缝隙天线，如果Novatel GPS-600天线。前者通过轴对称的对馈源设计保持天线的轴对称性，馈源越多，对称性越好，相位中心稳定度越高，当馈电网络越复杂，且带宽较窄，相位中心稳定性较低，且不易调节；后者通过多个绕轴对称的缝隙螺旋臂保证天线高稳定相位中心，馈电网络采用串行行波微带线馈电电路，结构较为简单，但是其相位中心稳定性较低，且不易调节。

发明内容

本发明提供一种具有结构紧凑、驻波小、轴比小、轴比带宽宽、双频隔离度高、宽波束范围内相位中心超稳定、不圆度低、易于调节的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线。

本发明采用如下技术方案：

一种抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，包括：天线罩和用于反射信号和强抑制多径干扰的三维金属扼流圈，所述三维金属扼流圈包括高度相等的中心基座、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈与中心基座同心，并且，第三扼流圈位于第四扼流圈内，第二扼流圈位于第三扼流圈内，第一扼流圈位于第二扼流圈内，中心基座位于第一扼流圈内，中心基座、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈为金属筒，所述天线罩设在三维金属扼流圈的中心基座上，在三维金属扼流圈的中心基座内设有第一功分器和第二功分器，在天线罩内且在三维金属扼流圈的中心基座上设有相互叠加在一起的第一辐射天线和第二辐射天线且由穿过第一辐射天线和第二辐射天线中心的空心短路螺钉固定在三维金属扼流圈的中心基座上，在第一辐射天线与三维金属扼流圈的中心基座之间设有第一同轴电缆，第一同轴电缆的内芯的一端与第一辐射天线的辐射片连接，第一同轴电缆的内芯的另一端与第一功分器的第一支路连接，第一同轴电缆的屏蔽层的一端与第一辐射天线的地连接，第一同轴电缆的屏蔽层的另一端与第一功分器的地连接；在第二辐射天线与三维金属扼流圈的中心基座之间设有第五同轴电缆且第五同轴电缆穿过空心短路螺钉，第五同轴电缆的内芯的一端与第二辐射天线的地连接，第五同轴电缆的内芯的另一端与第二功分器的第一支路连接，第五同轴电缆的屏蔽层的一端与第二辐射天线的辐射片连接，第五同轴电缆的屏蔽层的另一端与第二功分器的地连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明中采用双层微带基板层叠结构实现双频圆极化高隔离度高稳定相位中心天线，特别针对上层辐射天线在上层采用多馈源馈电(典型值为四馈源)结构，馈电同轴电缆通过空心金属短路螺钉内部穿越到三维金属扼流圈内部，进而与第二一分四功分器四个输出端口分别连接，最后通过第二一分四功分器主路输出；针对下层辐射天线在下层采用多馈源馈电（典型值为四馈源）结构，四个馈源分别与第一一分四功分器四个输出端口连接，最后通过第一一分四功分器主路输出；该结构中，由于上层辐射天线的馈电内芯无需穿越下层辐射天线介质材料，而是通过中心空心短路螺钉内部穿越下来，从而实现了两个天线的高隔离馈电，有效降低了两个天线之间的互耦，极大改善了工作于两个工作频点的天线之间的隔离度以及通过第一一分四功分器连接的辐射天线的驻波。

本发明中可以对第一介质层、第二介质层内部所有馈电穿孔都进行内孔壁金属化，馈电同轴内芯可以有效焊接第一介质层、第二介质层内部所有馈电穿孔，从而显著改善了馈电连接可靠性。

本发明中对第二金属层、第四金属层周边设有金属点阵。由于高稳定相位中心天线要求在工作波束内的所有区域天线都有一致的相位特性，然而通常由于介质材料加工工艺原因，介质材料本身的介电常数难以做到完全一致，因此根据实际测试结果，通过对增加的金属点阵进行刻除调节，来改善天线相位中心和增益方向图的一致性以及降低轴比指标。

本发明中采用的三维金属扼流圈，通过采用不同深度、不同高度（相对于三维金属扼流圈基座的中心基座上端面）的多个扼流圈，可以有效的降低多径信号的干扰，同时改善了天线的交叉极化性能，且不显著降低天线的相位特性。

附图说明

在结合附图阅读描述后，本发明的上述目的、其它特征和优点都会更明显，其中：

图1是本发明的天线整体前视剖面图。

图2是本发明的天线整体侧视剖面图。

图3是本发明的三维扼流圈俯视图。

图4是本发明的第一金属层俯视图。

图5是本发明的第一介质层俯视图。

图6是本发明的第二金属层俯视图。

图7是本发明的第三金属层俯视图。

图8是本发明的第二介质层俯视图。

图9是本发明的第四金属层俯视图。

图10是本发明的第一天线相位方向图。

图11 是本发明的第一天线俯仰角60度时增益方向图。

图12是本发明的第一天线方位角0度时增益方向图。

图13是本发明的第一天线轴比特性。

图14是本发明的第二天线相位方向图。

图15是本发明的第二天线俯仰角60度时增益方向图。

图16是本发明的第二天线方位角0度时增益方向图。

图17是本发明的第二天线轴比特性。

图18是本发明的第一天线和第二天线的隔离度。

图19 是本发明的第一一分四功分器结构原理图。

图20 是本发明的第一一分四功分器的俯视图。

图21是本发明的第二一分四功分器结构原理图。

图22是本发明的第二一分四功分器的俯视图。

其中，1为天线罩，2为空心金属短路螺钉，3为第四金属层，4为第二介质层，6为第三金属层，7为第二金属层，8为第一介质层，9为第一金属层，11-1、11-2、11-3和11-4为第一天线的四个馈电口，10-1、10-2、10-3和10-4为第二天线的四个馈电口，13为第一一分四功分器主路端口，13-1、13-2、13-3和13-4为第一一分四功分器四个支路端口,13-0第一一分四功分器地，13-5为第一一分四功分器介质，13-6为第一一分四功分器网络层，14为第二一分四功分器主路端口，14-1、14-2、14-3和14-4为第二一分四功分器四个支路端口14-0第二一分四功分器地，14-5为第二一分四功分器介质，14-6为第二一分四功分器网络层，15为三维金属扼流圈的中心基座，16为三维金属扼流圈的第一扼流圈，17为三维金属扼流圈的第二扼流圈，18为三维金属扼流圈的第三扼流圈，19为三维金属扼流圈的第四扼流圈。

具体实施方式

一种抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，包括：天线罩1和用于反射信号及抑制多径干扰的三维金属扼流圈，所述三维金属扼流圈包括高度相等的中心基座15、第一扼流圈16、第二扼流圈17、第三扼流圈18和第四扼流圈19，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈与中心基座15同心，并且，第三扼流圈位于第四扼流圈内，第二扼流圈位于第三扼流圈内，第一扼流圈位于第二扼流圈内，中心基座15位于第一扼流圈内，中心基座15、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈为金属筒，所述天线罩1设在三维金属扼流圈中心基座15上，在三维金属扼流圈中心基座15内设有第一功分器13和第二功分器14，在天线罩内且在三维金属扼流圈中心基座15上设有相互叠加在一起的第一辐射天线和第二辐射天线且由穿过第一辐射天线和第二辐射天线中心的空心短路螺钉2固定在三维金属扼流圈中心基座15上，在第一辐射天线与三维金属扼流圈中心基座15之间设有第一同轴电缆11-1，第一同轴电缆11-1的内芯的一端与第一辐射天线的辐射片连接，第一同轴电缆11-1的内芯的另一端与第一功分器13的第一支路13-1连接，第一同轴电缆11-1的屏蔽层的一端与第一辐射天线的地连接，第一同轴电缆11-1的屏蔽层的另一端与第一功分器13的地13-0连接；在第二辐射天线与三维金属扼流圈中心基座15之间设有第五同轴电缆10-1且第五同轴电缆10-1穿过空心短路螺钉2，第五同轴电缆10-1的内芯的一端与第二辐射天线的地连接，第五同轴电缆10-1的内芯的另一端与第二功分器14的第一支路14-1连接，第五同轴电缆10-1的屏蔽层的一端与第二辐射天线的辐射片连接，第五同轴电缆10-1的屏蔽层的另一端与第二功分器14的地14-0连接。

所述的第一辐射天线由按照从下至上的顺序叠合设置的第一金属层9、第一介质层8及第二金属层7组成，且所述第一金属层9为第一辐射天线的地，第二金属层7为第一辐射天线的辐射片。在第二金属层7的外部设有由设在第一介质层8上的金属凸点构成的第一金属点阵，设在第一介质层8上的金属凸点位于以空心短路螺钉2的中心为圆心的圆周上且均匀分布于圆周上。

所述的第二辐射天线由按照从下至上的顺序叠合设置的第二金属层7、第三金属层6、第二介质层4及第四金属层3组成，且所述第二金属层7为第二辐射天线的地，第四金属层3为第二辐射天线的辐射片。在第四金属层3的外部设有由设在第二介质层4上的金属凸点构成的第二金属点阵，设在第二介质层4上的金属凸点位于以空心短路螺钉2的中心为圆心的圆周上且均匀分布于圆周上。

在本实施例中，在第一辐射天线与三维金属扼流圈中心基座15之间还设有第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4，第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4的内芯的一端分别与第一辐射天线的辐射片连接，第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4的内芯的另一端分别与第一功分器13的第二支路13-2、第三支路13-3及第四支路13-4连接，第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4的屏蔽层的一端分别与第一辐射天线的地连接，第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4的屏蔽层的另一端分别与第一功分器13的地13-0连接，所述第一同轴电缆11-1、第二同轴电缆11-2、第三同轴电缆11-3及第四同轴电缆11-4以空心短路螺钉2为对称轴对称分布；

在第二辐射天线与三维金属扼流圈中心基座15之间设有第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4且第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4穿过空心短路螺钉2，第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4的内芯的一端分别与第二辐射天线的地连接，第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4的内芯的另一端分别与第二功分器14的第二支路14-2、第三支路14-3及第四支路14-4连接，第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4的屏蔽层的一端分别与第二辐射天线的辐射片连接，第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4的屏蔽层的另一端分别与第二功分器14的地14-0连接，所述第五同轴电缆10-1、第六同轴电缆10-2、第七同轴电缆10-3及第八同轴电缆10-4以空心短路螺钉2为对称轴对称分布。

在本实施例中，第一一分四功分器的四个支路即13-1、13-2、13-3和13-4的信号幅度相等，信号相位依次为0°、90°、180°和270°或者相位依次为0°、-90°、-180°和-270°，形成四馈源馈电结构，实现左旋圆极化或者右旋圆极化。

在本实施例中，第二一分四功分器的四个支路即14-1、14-2、14-3和14-4的信号幅度相等，信号相位依次为0°、90°、180°和270°或者相位依次为0°、-90°、-180°和-270°，形成四馈源馈电结构，实现左旋圆极化或者右旋圆极化。

在本实施例中，三维金属扼流圈的中心基座15和三维金属扼流圈的第一扼流圈16形成的扼流环、三维金属扼流圈的第一扼流圈16和三维金属扼流圈的第二扼流圈17形成的扼流环对应第二辐射天线参数，实现对第二辐射天线工作频点多径信号的抑制和交叉极化信号的抑制。

在本实施例中，三维金属扼流圈的第二扼流圈17和三维金属扼流圈的第三扼流圈18形成的扼流环、三维金属扼流圈的第三扼流圈18和三维金属扼流圈的第四扼流圈19形成的扼流环对应第一辐射天线参数，实现对第一辐射天线工作频点多径信号的抑制和交叉极化信号的抑制。

下面参加本发明的一个优选实施例的详细内容，实施例1结合附图进行说明。在可能的情况下，用于所有附图和说明的同一标号表示相同或相似的部分。该实施例是一种用于GPS系统的地面接收天线，其两个工作频点为L波段，均是右旋圆极化，整体结构如图1到图9所示结构，其第一天线相位方向图如图10所示，第一天线俯仰角60度时增益方向图如图11所示，第一天线方位角0度时增益方向图如图12所示，第一天线轴比特性如图13所示，其中仰角在±60波束范围内，相位波动小于±2°，仰角60度时增益波动小于±0.15dB，轴比均小于1.25dB，由于增加了三维金属扼流圈，天线在俯仰角60度以上时增益显著下降，有利于提高了抗多径干扰性能，同时交叉极化增益非常小，小于-20dB，有利于提高抗交叉极化信号性能；第二天线相位方向图如图14所示，第二天线俯仰角60度时增益方向图如图15所示，第二天线方位角0度时增益方向图如图16所示，第二天线轴比特性如图17所示，其中仰角在±60波束范围内，相位波动小于±3°，仰角60度时增益波动小于±0.15dB，轴比均小于3.2dB，由于增加了三维金属扼流圈，天线在俯仰角60度以上时增益显著下降，有效提高了抗多径干扰性能，同时交叉极化增益非常小，小于-14dB，有利于提高抗交叉极化信号性能；第一天线和第二天线的隔离度如图15所示，达到23dB以上。综上所述，优选实例的指标达到很好的指标。

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化，和等同物有所附的权利要求书的内容涵盖。

Claims

1.一种抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，包括：天线罩（1）和用于反射信号和抑制多径干扰的三维金属扼流圈，所述三维金属扼流圈包括高度相等的中心基座（15）、第一扼流圈（16）、第二扼流圈（17）、第三扼流圈（18）和第四扼流圈（19），第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈与中心基座（15）同心，并且，第三扼流圈位于第四扼流圈内，第二扼流圈位于第三扼流圈内，第一扼流圈位于第二扼流圈内，中心基座（15）位于第一扼流圈内，中心基座（15）、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈为金属筒，所述天线罩（1）设在三维金属扼流圈的中心基座（15）上，在三维金属扼流圈的中心基座（15）内设有第一功分器（13）和第二功分器（14），在天线罩内且在三维金属扼流圈的中心基座（15）上设有相互叠加在一起的第一辐射天线和第二辐射天线且由穿过第一辐射天线和第二辐射天线中心的空心短路螺钉（2）固定在三维金属扼流圈的中心基座（15）上，在第一辐射天线与三维金属扼流圈的中心基座（15）之间设有第一同轴电缆（11-1），第一同轴电缆（11-1）的内芯的一端与第一辐射天线的辐射片连接，第一同轴电缆（11-1）的内芯的另一端与第一功分器（13）的第一支路（13-1）连接，第一同轴电缆（11-1）的屏蔽层的一端与第一辐射天线的地连接，第一同轴电缆（11-1）的屏蔽层的另一端与第一功分器（13）的地（13-0）连接；在第二辐射天线与三维金属扼流圈的中心基座（15）之间设有第五同轴电缆（10-1）且第五同轴电缆（10-1）穿过空心短路螺钉（2），第五同轴电缆（10-1）的内芯的一端与第二辐射天线的地连接，第五同轴电缆（10-1）的内芯的另一端与第二功分器（14）的第一支路（14-1）连接，第五同轴电缆（10-1）的屏蔽层的一端与第二辐射天线的辐射片连接，第五同轴电缆（10-1）的屏蔽层的另一端与第二功分器（14）的地（14-0）连接。

2.根据权利要求1所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，第一辐射天线由按照从下至上的顺序叠合设置的第一金属层（9）、第一介质层（8）及第二金属层（7）组成，且所述第一金属层（9）为第一辐射天线的地，第二金属层（7）为第一辐射天线的辐射片。

3.根据权利要求2所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，在第二金属层（7）的外部设有由设在第一介质层（8）上的金属凸点构成的第一金属点阵，设在第一介质层（8）上的金属凸点位于以空心短路螺钉（2）的中心为圆心的圆周上且均匀分布于圆周上。

4.4 根据权利要求1所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，第二辐射天线由按照从下至上的顺序叠合设置的第二金属层（7）、第三金属层（6）、第二介质层（4）及第四金属层（3）组成，且所述第二金属层（7）为第二辐射天线的地，第四金属层（3）为第二辐射天线的辐射片。

5.根据权利要求1所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，在第四金属层（3）的外部设有由设在第二介质层（4）上的金属凸点构成的第二金属点阵，设在第二介质层（4）上的金属凸点位于以空心短路螺钉（2）的中心为圆心的圆周上且均匀分布于圆周上。

6.根据权利要求1所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，在第一辐射天线与三维金属扼流圈中心基座（15）之间还设有第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4），第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4）的内芯的一端分别与第一辐射天线的辐射片连接，第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4）的内芯的另一端分别与第一功分器（13）的第二支路（13-2）、第三支路（13-3）及第四支路（13-4）连接，第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4）的屏蔽层的一端分别与第一辐射天线的地连接，第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4）的屏蔽层的另一端分别与第一功分器（13）的地（13-0）连接，所述第一同轴电缆（11-1）、第二同轴电缆（11-2）、第三同轴电缆（11-3）及第四同轴电缆（11-4）以空心短路螺钉（2）为对称轴对称分布。

7.根据权利要求1所述的抗多径多馈源双频高隔离度宽波束高稳定相位中心天线，其特征在于，在第二辐射天线与三维金属扼流圈中心基座（15）之间设有第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）且第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）穿过空心短路螺钉（2），第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）的内芯的一端分别与第二辐射天线的地连接，第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）的内芯的另一端分别与第二功分器（14）的第二支路（14-2）、第三支路（14-3）及第四支路（14-4）连接，第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）的屏蔽层的一端分别与第二辐射天线的辐射片连接，第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）的屏蔽层的另一端分别与第二功分器（14）的地（14-0）连接，所述第五同轴电缆（10-1）、第六同轴电缆（10-2）、第七同轴电缆（10-3）及第八同轴电缆（10-4）以空心短路螺钉（2）为对称轴对称分布。