CN103280633A - 一种卫星定位天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及天线技术，提供了一种卫星定位天线装置，以满足低仰角增益、圆极化轴比良好、收发隔离度高的要求。包括上层微带天线、中间层微带天线、下层微带天线、背面带有移相馈电网络的PCB板；其中，下层微带天线的馈电探针、中间层微带天线的馈电探针以及上层微带天线馈电的同轴电缆连接馈电网络，下层微带天线中心位置处具有第一金属化孔，中间层微带天线中心位置处具有第二金属化孔，中间层微带天线馈电探针处在下层微带天线具有第三金属化孔；所述上层微带天线介质板、中间层微带天线介质板和下层微带天线介质板的直径大小一致，且介电常数不相同。

Description

一种卫星定位天线装置

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别地涉及一种卫星定位天线装置。

背景技术

近年来，卫星导航、定位和通信系统在军事和民用领域得到了越来越广泛的应用，并起到了越来越重要的作用，如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、我国的北斗系统。我国自主研发的北斗系统于2003年6月1日正式开通，标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统。北斗车载天线装置是北斗终端定位和通信系统的关键部件之一，对系统的性能有十分重要的影响。随着北斗导航定位的大规模应用进入实质性阶段，需要大量的卫星定位平台，如车载、舰载、机载等移动终端，其中就需求大量的北斗天线装置。目前车载天线设计存在以下几方面的技术难点：

1.低仰角增益

在卫星通讯中，收发机终端往往对天线的低仰角增益提出较高的要求，这就要求天线的低仰角增益必须足够高

2.提高收发双端口天线隔离度技术

北斗系统的发射频段为1615.68MHz，接收频段相邻较近的是1268.52MH和1561.098MHz，设计微带天线时由于使用了介电常数不为1（一般大于2）的高频板材料，使得微带天线的辐射贴片尺寸差异不大而产生互耦导致天线间隔离度变差，而在实际使用中往往要求收发端口之间的隔离度达到一定的标准，因此如何提高天线的收发隔离度也是设计中的一大难点。

3.良好的圆极化性能

北斗卫星通讯使用的是圆极化信号，根据极化匹配原则，地面终端上的天线也必须拥有良好的圆极化性能，使得天线能够最大效率的工作。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供了一种卫星定位天线装置，以满足低仰角增益、圆极化轴比良好、收发隔离度高的要求。

为解决上述问题，本发明提供了一种卫星定位天线装置，包括，上层微带天线、中间层微带天线、下层微带天线、背面带有移相馈电网络的PCB板；其中，上层微带天线包括上层微带天线介质板和上层微带天线辐射贴片层，中间层微带天线包括中间层微带天线介质板和中间层微带天线辐射贴片层，下层微带天线包括下层微带天线介质板和下层微带天线辐射贴片层，下层微带天线的馈电探针、中间层微带天线的馈电探针以及上层微带天线馈电的同轴电缆连接馈电网络，下层微带天线中心位置处具有第一金属化孔，中间层微带天线中心位置处具有第二金属化孔，中间层微带天线馈电探针处在下层微带天线具有第三金属化孔；所述上层微带天线介质板、中间层微带天线介质板和下层微带天线介质板的直径大小一致，且介电常数不相同。

进一步地，上述的卫星定位天线装置，所述中间层微带天线介质板厚度大于上层微带天线介质板和/或下层微带天线介质板。

进一步地，上述的卫星定位天线装置，还包括金属反射底座，所述金属反射底座带有环形反射挡板。

上述的卫星定位天线装置，其中，上层微带天线辐射贴片小于中间层微带天线辐射贴片，中间层微带天线辐射贴片小于下层微带天线辐射贴片。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述上层微带天线通过同轴电缆来馈电，所述同轴电缆的内芯与上层微带天线辐射贴片连在一起，所述同轴电缆的另外一端固定在金属反射底座上。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述中间层微带天线采用双探针馈电，所述馈电探针穿过中间层微带天线介质板，然后穿过下层微带天线内的金属化孔，与PCB板背面的移相馈电网络连接。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述下层微带天线采用双探针馈电，所述馈电探针直接穿过下层微带天线介质板，与PCB板背面的移相馈电网络相连。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述中间层微带天线和所述下层微带天线在中心位置均有一个直径大小一致的金属化孔，通过金属化孔来保证各层天线间的接地与PCB板的接地接触。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述下层微带天线还有两个金属化孔，以让中间层微带天线辐射贴片和接地连接。

上述的卫星定位天线装置，其中，所述上层微带天线辐射贴片层、中间层微带天线辐射贴片层、下层微带天线辐射贴片层为圆形。

采用本发明的技术方案，相对于现有的圆极化天线，可以同时提供圆极化轴比良好、低仰角增益高、收发隔离度高的B3/B1/L/S四频圆极化信号，非常适用于北斗卫星导航定位系统，可以作为北斗卫星导航定位系统双模用户的车载天线装置。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例卫星定位天线装置的切面示意图；

图2是图1所述卫星定位天线装置的上层微带天线正面示意图；

图3是图1所述卫星定位天线装置的中间层微带天线正面示意图；

图4是图1所述卫星定位天线装置的下层微带天线的正面示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的实施例中，“上面”、“下面”“上层”、“中间层”“下层”表示的是相对位置，并不表示绝对位置。“连接”可以是直接连接，也可以是间接连接。辐射贴片是一种具有几何对称图纸的薄金属，覆盖在高频板上，其形状包含圆形、方形、多边形等，辐射贴片的作用是就是对外辐射电磁波。移相馈电网络其起到的作用就是一个一分二等分功率器，输出端信号幅度相等，相位差为90°。

如图1所示，是本发明实施例卫星定位天线装置的切面示意，从图1可以看到，该天线装置包含上层微带天线1、中间层微带天线2、下层微带天线3、背面带有移相馈电网络的PCB板7。其中，上层微带天线1包括上层微带天线介质板4和上层微带天线辐射贴片层8；中间层微带天线2包括中间层微带天线介质板5和中间层微带天线辐射贴片层9；下层微带天线3包括下层微带天线介质板6和下层微带天线辐射贴片层10；螺钉11将上层微带天线、中间层微带天线、下层微带天线、PCB板和金属反射底座固定在一起，下层微带天线的馈电探针12、中间层微带天线的馈电探针13、上层微带天线馈电的同轴电缆14通过PCB板连接馈电网络，下层微带天线中心位置处具有第一金属化孔15，中间层微带天线中心位置处具有第二金属化孔16，中间层微带天线馈电探针处在下层微带天线具有第三金属化孔18。

上述上层微带天线介质板4、中间层微带天线介质板5、下层微带天线介质板6和PCB板7均为圆形且直径大小一致，呈同轴叠放，通过边缘的螺钉与圆形金属反射底座连接17。上述上层微带天线介质板4、中间层微带天线介质板5、下层微带天线介质板6所选用高频板介质的介电常数不相同。通过直径相等和介电常数不同的微带天线介质板，从而提高天线隔离度，本实施例中下层和中间层微带天线的低仰角增益得到提高。

上述金属反射底座17是带有环形反射挡板的金属反射底座，其反射挡板距离各层微带天线的辐射贴片有一个合适的距离，该距离根据实际调试进行确定。所述的环形反射挡板不会影响各层微带天线的圆极化轴比，但会对微带天线的方向图特别是下层微带天线和中间层微带天线的方向图产生影响，可以有效提高各层微带天线特别是下层微带天线和中间层微带天线的低仰角增益。所述的环形反射挡板还可以将天线的谐振频率降低，进而将微带天线尺寸缩小，起到微型化的作用。

上述在上面天线的辐射贴片总比下面天线的辐射贴片要小，作为一个示例，上层微带天线4的辐射贴片小于中间层微带天线5的辐射贴片，中间层微带天线5的辐射贴片小于下层微带天线6的辐射贴片。对应地，上面天线总是以下面天线的辐射贴片作为接地即反射面，且反射面增大可以提高天线的增益(包含顶点增益和低仰角增益)，故上面层微带天线的辐射贴片比下层辐射贴片小可以提高上面层天线的增益。

如图1和图2所示，上层微带天线1通过同轴电缆14来馈电：同轴电缆14的内芯与上层微带天线1的辐射贴片8连在一起，同轴电缆的另外一端固定在金属反射底座17上，例如可以通过焊接方式固定，同轴电缆14的屏蔽层与上层微带天线1的接地（金属反射底座）通过焊接连接在一起，且其接地焊接点大小要比中间层微带天线2中心处的金属化孔要小。上层微带天线1的中心位置处有一个非金属化孔，孔径大小与同轴线14的内芯大小一致，同轴电缆的内导体穿过该非金属化孔与上层的辐射贴片相焊接。需要指出，现例上层微带天线1为圆形，但不限于圆形，也可以为方形等。

所述上层微带天线在顶层，工作频率对应于北斗卫星系统的S波段2491.75MHz，工作带宽较窄。由于上层对应的S频段要求的带宽不是很宽，采用单馈足以满足要求，因此采用同轴线内芯与辐射贴片连接、同轴线屏蔽层与上层微带天线的反射面连接的单馈方式，通过辐射贴片8切角产生微扰的方法来实现右旋圆极化，可以更好的降低馈电网络的损耗，提高天线的增益指标。

如图1和图3所示，中间层微带天线2为圆形，19为螺丝孔。所述中间层微带天线2采用双探针馈电：馈电探针13先穿过中间层微带天线2的介质板5，然后穿过下层微带天线内的金属化孔18，与PCB板7背面的移相馈电网络连接。馈电探针13与中间层微带天线2的辐射贴片9焊接后会形成一个凸起的焊接点，因此需要在上层微带天线1的接地面上挖两个浅孔来避空焊接点。中间层微带天线2中心位置处有一个金属化孔16，将中间层微带天线2的辐射贴片9和接地连接起来。该金属化孔16作用是保证其内部的Teflon介质和金属探针加上金属化孔共同组成同轴线结构。需要指出，现例中间层微带天线2为圆形，但不限于圆形；现例中间层微带天线2的辐射贴片9为方形，但不限于方形，也可以为圆形、多边形等。

由于处在中间层且要同时兼顾北斗导航定位系统中频率相邻的B1波段即1561.098MHz和L波段即1615.68MHz，其工作带宽较宽，则选用厚度较大的高频板介质来展宽工作带宽。馈电方式选择双探针馈电来保证良好的圆极化轴比和低仰角增益方向图的不圆度要求（是天线的一个指标，是指天线在某一个俯仰角上对于方位面360°内增益最大值与最小值之差值的一半。），其探针通过中间层的介质和下层的金属化孔，与PCB板背面的移相馈电网络连接，根据B1的右旋圆极化和L的左旋圆极化特性，分别赋予这两个探针对应的＋90°相位差或者－90°相位差来实现所需要的左旋圆极化或者右旋圆极化。

如图1和图4所示，所述下层微带天线3为圆形，19为螺丝孔。所述下层微带天线3也采用双探针馈电：馈电探针12直接穿过下层微带天线3的介质板6，与PCB板7背面的移相馈电网络相连。馈电探针12与下层微带天线3的辐射贴片10焊接后会形成一个凸起的焊接点，因此需要在中间层微带天线2的接地面上挖两个浅孔来避空焊接点。下层微带天线3在中间层微带天线2馈电探针处有两个金属化孔18，金属化孔18内装有Teflon介质材料，与馈电探针13共同组成同轴线结构。所述下层微带天线3中心位置处有一个金属化孔15，使得各层微带天线接地良好。需要指出，现例下层微带天线3为圆形，但不限于圆形；现例下层微带天线3的辐射贴片10为方形，但不限于方形，也可以为圆形、多边形等。

下层微带天线工作于1268.52MHz，带宽20MHz，选用介电常数较低的高频板介质来满足带宽要求，采用双馈电方式来获得良好的圆极化轴比和较好的低仰角增益方向图不圆度。其右旋圆极化通过赋予两个馈电探针90°的相位差来实现。

上述的中间层微带天线介质板的厚度大于上层微带天线和/或下层微带天线，从而可以提高天线的隔离度。由于微带天线的色散特性，天线同时存在辐射与散射。当下层微带天线介质板的厚度变小时，下层微带天线的辐射贴片与金属底座之间的场强耦合会加强，会让下层微带天线边缘的电磁波散射会减小，散射到中间层的场强也就会减小，产生的感应电流变小，使得下层微带天线和中间层微带天线的隔离度变大。同样地，由于上层微带天线是以中间层微带天线的辐射贴片作为接地面，当上层微带天线厚度变小时，其与中间层微带天线的场强耦合会加强，会让上层微带天线边缘的电磁波散射会减小，散射到中间层的场强也就会减小，产生的感应电流变小，使得上层微带天线和中间层微带天线的隔离度变大。

上述的中间层微带天线和下层微带天线在中心位置均有一个直径大小一致的金属化孔，通过金属化孔来保证各层天线间的接地与PCB板的接地良好接触，而PCB板与圆形金属反射底座接地良好，进而实现各层天线与圆形金属反射底座的接地良好。

上述的下层微带天线中有两个金属化孔，让中间层微带天线的辐射贴片和接地连接良好，同时在金属化孔内填充Teflon介质材料，和穿过金属化孔的金属馈电探针组成50欧姆的同轴线结构，实现对中间层微带天线的双探针馈电。

综上所述，本发明实施例相对于现有的圆极化天线具有以下特点：可以同时提供圆极化轴比良好、低仰角增益高、收发隔离度高的B3/B1/L/S四频圆极化信号，非常适用于北斗卫星导航定位系统，可以作为北斗卫星导航定位系统双模用户的车载天线。

本发明实施例虽然针对北斗卫星系统进行的天线装置的设计，但本天线装置并不仅限于在北斗卫星系统中使用，也可以应用于其他的卫星系统。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种卫星定位天线装置，其特征在于，包括，上层微带天线、中间层微带天线、下层微带天线、背面带有移相馈电网络的PCB板；其中，上层微带天线包括上层微带天线介质板和上层微带天线辐射贴片层，中间层微带天线包括中间层微带天线介质板和中间层微带天线辐射贴片层，下层微带天线包括下层微带天线介质板和下层微带天线辐射贴片层，下层微带天线的馈电探针、中间层微带天线的馈电探针以及上层微带天线馈电的同轴电缆连接馈电网络，下层微带天线中心位置处具有第一金属化孔，中间层微带天线中心位置处具有第二金属化孔，中间层微带天线馈电探针处在下层微带天线具有第三金属化孔；所述上层微带天线介质板、中间层微带天线介质板和下层微带天线介质板的直径大小一致，且介电常数不相同。

2.根据权利要求1所述的天线装置，其特征在于，所述中间层微带天线介质板厚度大于上层微带天线介质板和/或下层微带天线介质板。

3.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，还包括金属反射底座，所述金属反射底座带有环形反射挡板。

4.根据权利要求2所述的天线装置，其特征在于，上层微带天线辐射贴片小于中间层微带天线辐射贴片，中间层微带天线辐射贴片小于下层微带天线辐射贴片。

5.根据权利要求1至4任一所述的天线装置，其特征在于，所述上层微带天线通过同轴电缆来馈电，所述同轴电缆的内芯与上层微带天线辐射贴片连在一起，所述同轴电缆的另外一端固定在金属反射底座上。

6.根据权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述中间层微带天线采用双探针馈电，所述馈电探针穿过中间层微带天线介质板，然后穿过下层微带天线内的金属化孔，与PCB板背面的移相馈电网络连接。

7.根据权利要求6所述的天线装置，其特征在于，所述下层微带天线采用双探针馈电，所述馈电探针直接穿过下层微带天线介质板，与PCB板背面的移相馈电网络相连。

8.根据权利要求6或7所述的天线装置，其特征在于，所述中间层微带天线和所述下层微带天线在中心位置均有一个直径大小一致的金属化孔，通过金属化孔来保证各层天线间的接地与PCB板的接地接触。

9.根据权利要求8所述的天线装置，其特征在于，所述下层微带天线还有两个金属化孔，以让中间层微带天线辐射贴片和接地连接。

10.根据权利要求1至4、5、6、9任一所述的天线装置，其特征在于，所述上层微带天线辐射贴片层、中间层微带天线辐射贴片层、下层微带天线辐射贴片层为圆形。

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