CN103094678A - 一种有源宽带小型化导航天线 - Google Patents

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张鹏飞
陈琼
郑会利
傅光
张健
赵春生
钱帮龙
吉德成
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Abstract

本发明公开一种有源宽带小型化导航天线，分为五层，从上往下第一层为辐射层，辐射贴片位于第一层介质的顶部；第二层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层分别与次级馈电网络各个输出端口连接；第三层为次级馈电网络层，由两副带90°宽带移相器的功分器组成；第四层为初级馈电网络层，由一副带180°宽带移相器的功分器组成；第五层为低噪声放大(LNA)电路部分，为单级放大电路，主要包括偏置部分、放大部分、前后及匹配部分以及反馈部分；第三层和第四层之间用金属条连接。该天线具有结构紧凑、成本低的特点。

Description

一种有源宽带小型化导航天线
技术领域
本发明属于电子导航系统技术领域，涉及一种导航天线，具体涉及一种有源宽带小型化导航天线。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)属于星基无线电导航系统，其主要作用是利用卫星向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其作为重要的空间基础设施，已被广泛地应用在政治、经济、军事以及日常生活中，全球卫星导航系统提供全球范围内的导航，高精度定位与授时等服务，其在各个领域内发挥着不可替代的作用。
由于卫星导航系统在现代社会扮演着重要角色，世界主要大国和利益集团都独自建立或提出联合建立卫星导航系统，目前已建成运行和正在发展中的卫星导航系统主要有美国于上世纪70年代发展起来的具有全球性、全能型、天候优势的导航定位、定时、测速系统——全球卫星定位系统(Global Position Systems，GPS)，前苏联于上世纪80年代开始组建的由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成的卫星定位系统——GLONASS，欧盟于2002年开始计划组建的Galileo(伽利略)卫星导航定位系以及由我国自主研发的北斗卫星导航系统——Compass。这些卫星导航系统的应用频段主要包含于1.15-1.62GHz。
由于各种导航系统的卫星在空间的分布有限，提供卫星定位服务的精确度、安全性、可靠性和可用性无法得到保障，因此采用两种或两种以上的卫星导航系统组成的多模导航接收系统的研究近年受到广泛重视。天线是卫星导航系统中非常重要的一部分，在一定程度上决定着卫星导航系统的性能，适合多模导航接收机的天线应具有多频段、圆极化，宽波束及宽带的特点，是近年卫星接收天线研究的热点。目前实现多模天线的形式主要有两种，一种形式主要为四馈点耦合馈电微带线结构，通过四馈点提供等幅，相位依次相差90°的信号以产生圆极化，但此类天线一般口径较大，不能直接用于小型化应用；另一种是四臂螺旋结构，通过对四臂提供等幅、相位差相差90°的信号来产生圆极化，但此类天线剖面较高，且不易共型。此外上述天线还具有结构大，增益低和灵敏度差的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有卫星导航天线系统结构大、波束窄、增益低，噪声系数高和灵敏度差的缺陷，提出一种有源宽带小型化导航天线，设计了宽带移相网络和多馈电点结构，实现多模卫星导航天线的宽频带工作；设计了双层带线馈电结构，实现天线的小型化；设计了辐射贴片表面十字形槽结构，提高了天线的增益；前端加载宽带LNA电路，实现整个系统的高增益，低噪声系数和高灵敏度。其技术方案为：
一种有源宽带小型化导航天线，共分为五层，从上往下第一层为辐射层，辐射贴片位于第一层介质的顶部；第二层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层分别与次级馈电网络各个输出端口连接；第三层为次级馈电网络层，由两副带90°宽带移相器的功分器组成；第四层为初级馈电网络层，由一副带180°宽带移相器的功分器组成；第五层为低噪声放大(LNA)电路部分，为单级放大电路，主要包括偏置部分、放大部分、前后及匹配部分以及反馈部分；第三层和第四层之间用金属条连接。
进一步优选，第一层中所述辐射贴片通过十字形开槽，分为四个大小相等对称分布的独立的部分。
进一步优选，所述第三层和第四层添加λ/8开路和短路枝节结构，在1.15-1.62GHz的频带范围内实现端口相位差稳定，依次为90°、180°、270°。
进一步优选，所述LNA电路部分采用的芯片为ATF54143。
本发明与现有技术相比的有益效果
(1)本发明所设计的多模卫星导航天线结构紧凑，成本低；
(2)本发明采用多馈电点加宽带移相结构，提高了天线的圆极宽角化覆盖特性；
(3)本发明采用辐射贴片表面开槽结构，提高天线辐射的增益；
(4)本发明采用天线前端加载LNA电路，提高了导航系统的增益和灵敏度，并降低了系统的噪声系数。
附图说明
图1为四馈点圆极化天线原理图；
图2为有源天线示意图；
图3为天线部分的结构示意图，其中图3(a)有源天线剖面图，图3(b)印刷探针的结构图；
图4为LNA设计原理图；
图5为本发明所述天线的结构示意图；
图6为LNA电路仿真图；
图7为天线驻波图；
图8天线轴比图；
图9为天线增益随俯仰角Theta变化曲线(f＝1.5GHz)；
图10为天线轴比随俯仰角Theta变化曲线(f＝1.5GHz)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明采用了探针耦合技术以及四馈点圆极化技术。对于直接馈电的微带天线，其阻抗带宽一般比较窄。为了扩展辐射带宽，直观的理解就是尽量在要求的带宽内让能量尽可能的辐射出去，而让天线产生的感应场尽可能的小。我们知道天线的等效辐射阻抗可表示为：
ZA＝RA+jXA
式中RA称为输入阻抗，XA称为输入电抗。天线辐射的感应场对应于天线辐射阻抗的虚部，当阻抗虚部即电抗相对于实部越大，天线产生的感应场越强，此时天线场的能量大多集中在感应场，而无法辐射出去，天线的带宽也较窄。为此，增加天线的辐射带宽只需要抵消天线辐射阻抗的虚部即可，这里采用探针耦合技术馈电正是基于这一思想，探针与贴片间产生耦合电容，而这恰好可以抵消天线辐射产生的虚部，从而达到了宽带工作的目的。
传统的单馈电微带天线采用用简并分离元的方法来实现移相，轴比带宽比较窄，通常只有5％左右；而多馈点馈电的方式将移相交给馈电网络，辐射片只关注激励极化正交、幅度相等的电场，轴比带宽可以大大提高。多馈电可以分为两馈点、三馈点、四馈点等方式。图1为四馈点圆极化天线原理图，各个馈电点分别提供等幅相位差相差90°的相位，以激励出正交等幅的电场，从而产生圆极化。四馈点的优点在于圆极化辐射机理简单，结构完全对称性，有利于提高实现宽角覆盖。
纵观近几年导航天线的发展，多模导航天线应用越来越广泛。而目前的多模导航天线还停留在无源阶段，极少出现加载LNA电路的多模导航天线的设计。本发明采用宽带LNA电路加载技术，在宽频带内保证较低的噪声系数和增益滚降特性的同时，极大的提高了系统的增益。
根据以上基本思想，设计的有源天线示意图如图2所示，天线部分的结构如图3(a)所示，天线共分为五层。从上往下第一层为辐射层，上层贴片位于第一层介质的顶部；第二层为L型探针馈电层，它由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，如图3(b)所示，垂直部分穿过介质层分别与次级馈电网络各个输出端口连接；第三层为次级介质带线馈电网络层，它由两副宽带90°移相器组成；第四层为初级介质带线馈电网络层，它由一副宽带180°移相器组成；第五层为LNA电路部分，电路为单级放大电路，主要包括偏置部分、放大部分、前后及匹配部分以及反馈部分；如图4为LNA设计原理图。本发明具有以下特点：
1、宽频带工作
本发明采用探针耦合馈电技术，保证天线具有较宽的阻抗带宽；采用宽带移相结构，保证天线具有较宽的圆极化带宽，从而满足当前所有主流卫星导航系统的带宽要求。
2、结构紧凑
本发明采用双层介质带线的馈电结构，有效地减小了馈电网络的尺寸，使天线整体结构变得紧凑。初级和次级介质带线结构如图5所示，其中图5(a)为初级介质带线结构，图5(b)为初级介质带线结构图。
3、改善天线辐射增益
本发明辐射片表面开十字形槽，提高了天线的辐射增益。
4、改善系统增益
通过天线前端加上LNA电路，提高了系统的增益。
一种应用本发明的多模卫星导航天线的具体结构如下：介质板底面为正方形，边长W＝80mm，辐射贴片直径R＝60mm，第一层介质层厚度h1＝6mm，第二层介质层厚度h2＝16mm，次级馈电网络介质层厚度h3＝4mm，初级馈电网络介质层厚度h4＝4mm，第一和第二层介质均采用介电常数为4.4的FR-4，馈电网络介质采用低损耗介电常数为4.5的Rogers TM 4。天线有源部分为单级LNA电路，其仿真结构图如图6所示，整个天线尺寸为80mm×80mm×32mm。
测得无源天线驻波比的带宽(VSWR＜2)为1.05-1.65GHz(44.4％)，如图7所示。轴比在1.05-1.65GHz内小于1.5dB，如图8所示；在1.1-1.65GHz内，+z轴向的增益大于3dBi。在整个频段内大于-5dBi增益对应的仰角能覆盖10°～90°，如图9所示，为1.5GHz时增益随Theta角变化曲线；小于3dB的轴比对应的仰角能覆盖10°～90°，如图10所示，为1.5GHz时轴比随Theta角变化曲线。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变换或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种有源宽带小型化导航天线，其特征在于，共分为五层，分为五层，从上往下第一层为辐射层，辐射贴片位于第一层介质的顶部；第二层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层分别与次级馈电网络各个输出端口连接；第三层为次级馈电网络层，由两副带90°宽带移相器的功分器组成；第四层为初级馈电网络层，由一副带180°宽带移相器的功分器组成；第五层为低噪声放大(LNA)电路部分，为单级放大电路，主要包括偏置部分、放大部分、前后及匹配部分以及反馈部分；第三层和第四层之间用金属条连接。
2.根据权利要求1所述的有源宽带小型化导航天线，其特征在于，第一层中所述辐射贴片通过十字形开槽，分为四个大小相等对称分布的独立的部分。
3.根据权利要求1所述的有源宽带小型化导航天线，其特征在于，所述第三层和第四层添加λ/8开路和短路枝节结构，在1.15-1.62GHz的频带范围内实现端口相位差稳定，依次为90°、180°、270°。
4.根据权利要求1所述的有源宽带小型化导航天线，其特征在于，所述LNA电路部分采用的芯片为ATF54143。
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