CN103490159B - Gnss多频卫星导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS多频卫星导航天线，主要解决现有四臂螺旋天线工作频带窄、增益低的问题。该天线包括锥台、覆盖在锥台表面的柔性介质、印制在柔性介质表面的混合辐射臂、连接体和连接在锥台底部的介质板；所述介质板下层为功分器，介质板上层为金属层构成的辐射地板，辐射体通过第二连接体与功分器连接。本发明天线包括了GNSS的所有频段（1.16～1.28GHz和1.55～1.61GHz），可以减少全球导航卫星天线的天线数目，降低运营商采购成本，同时本发明天线的增益在GNSS频带内大于5.4dB，可以降低发射机的功率而仍然能保持同一方向同一距离处的信号强度，提高导航精度，降低水平面附近的噪声干扰，提高运营效率。

Description

GNSS多频卫星导航天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及高增益GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)天线，适用于中小型卫星或者中小型工作平台上高精度全球导航卫星系统应用。

背景技术

卫星导航是现今被广泛应用的导航方式，在军事和民用领域都发挥着重要作用。目前各个国家或地区都在致力于研究有自主知识产权的卫星导航系统。随着各导航系统的发展，多系统并存、多模兼容的进程进一步加快，传统的单一的系统时代（GPS系统时代）正在转变为各个导航系统兼容并存的GNSS时代，在不久的将来，GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统将实现全球覆盖，而这四大系统共同构成了全球导航卫星系统，其工作频率包括：GPS-L1、L2、L5，GLONASS-L1、L2，GALILEO-E1、E5a、E5b，COMPASS-B1、B2、B3，主要分布在1.16～1.28GHz和1.55～1.61GHz。所以，GNSS天线必须覆盖这两个频段。

另一方面，随着Galileo、Compass卫星不断地投入运行，预计到2020年（届时GLONASS、Galileo、Compass实现全球覆盖）在轨的全球导航卫星多达119颗（含在轨的备用卫星）。根据伪距单点定位原理——至少需要4颗卫星才能实现单点定位——只需充分利用天顶附近的卫星即可实现良好的定位性能。因此，GNSS天线的另一个发展趋势是方向图的截止角逐渐往天顶方向偏移，即是方向图比起单一GPS天线要窄，也意味着天线的增益提高。它带来的另一个好处是在一定程度上避免了水平面附近的噪声干扰。

对于导航系统，地面接收天线与卫星之间的链路要求天线在频带内具有良好的轴比性能和半球形方向图。谐振式四臂螺旋天线因其损耗小、重量轻、具有半球形覆盖性能和良好的圆极化性能而成为导航应用的最佳选择。然而传统的谐振式四臂螺旋在谐振时带宽只有5%～8%，显然无法完全覆盖GNSS的所有工作频率。在过去的几十年里，展宽四臂螺旋天线的带宽或者使四臂螺旋工作在双频、多频的技术方法相继被提出。比如：将工作于不同频率的两副结构类似的天线以嵌套的方式或者级联方式共轴安装使两者组合为一个整体结构；在螺旋臂适当位置添加一个LC电路，使之再产生另外一个谐振点；采用多臂形式——这些方法都可以使四臂螺旋双频或多频工作。而采用螺旋臂渐变的形式可以使四臂螺旋天线在L波段的带宽展宽到14%；采用圆锥结构则可以到达18.5%；采用折合螺旋臂可以使带宽达到30%，然而它并不能覆盖GPS-L5、Galileo-E5a频段，而且增益较低，最大增益约3.2dB。所以亟需一种更有效的方法使四臂螺旋天线能够覆盖GNSS的所有频点且在这些频点上具有较高的增益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有导航天线工作频带窄、增益低的问题，提供一种双臂渐变、高增益双频段圆锥四臂螺旋天线，可满足GNSS高精度导航的需求。

本发明是这样实现的：

一种GNSS多频卫星导航天线，包括锥台、覆盖在锥台表面的柔性介质、印制在柔性介质表面的四个辐射体、第二连接体和连接在锥台底部的介质板；所述介质板下层为功分器，介质板上层为金属层构成的辐射地板，辐射体通过第二连接体与功分器连接。

所述辐射体由主臂、副臂、金属贴片和第一连接体构成，副臂通过第一连接体和主臂连接，主臂的输入端沿锥台表面设置有金属贴片；所述第二连接体一端与第一连接体连接，另一端与功分器的输出端焊接。

所述锥台的锥角为25°～30°，锥台的高度为中心频率的0.35～0.40倍波长。

所述主臂的臂宽是渐变的，其结构由主臂方程决定，靠近锥台下底面的臂宽w为10～15mm；沿着锥台往上，臂宽逐渐变细，臂宽分别为w、w₁、w₂、n，2mm≤w₁≤4mm，2mm≤w₂≤3mm，且w₂≤w₁，0.9≤n≤1.1；

主臂方程：

主臂下包络线方程：

主臂上包络线方程：

所述副臂的臂宽是渐变的，其结构由副臂方程决定，臂宽由h_arm2、w_g、w₃、w₄、w₅、w₆、n₂决定，20mm≤h_arm2≤30mm，0.5mm≤w_g≤2mm，2mm≤w₃≤4mm，2mm≤w₄≤3mm，14mm≤w₅≤16mm，w₆＝w+w_g+w₃，0.3≤n₁≤0.4；

副臂方程：

副臂下包络线方程：

副臂上包络线方程：

其中r₁为柔性介质的下底面半径；r₂为柔性介质的上底面半径；r₃为锥台下底面半径；r₄为锥台上底面半径；r₅为锥台掏空区域的上底面半径；r₆为锥台掏空区域的下底面半径；r₇为螺孔的半径；h为锥台的高度；h₁为与锥台相接的圆柱体的高度；h₂为锥台下底到掏空区域的高度；h_stub为金属贴片的垂直高度；h_arm2为副臂顶部离锥台底部的高度；thick₁为锥台的壁厚；n为主臂的匝数；n₁为副臂的匝数；w为主臂的初始宽度；w_g为主臂和副臂在初始位置处的间距；w₁为渐变主臂上包络线的变化量；w₂为渐变主臂下包络线的变化量；w₃为副臂的初始宽度；w₄为渐变副臂下包络线的变化量；w₅为渐变副臂上包络线的变化量；w₆为第一连接体的长度；w₇为第一连接体的宽度；为金属贴片两边与轴线的夹角。

所述金属贴片下边缘紧贴锥台的下底边缘，金属贴片左右两边与锥台的轴线的夹角为20°～40°，高度为4～8mm。

所述锥台由纯聚四氟乙烯材料构成，其上半部分空心，下半部分为实心，锥台底部设置一个螺丝孔，锥台的半锥角为θ。

所述介质板采用聚四氟乙烯，厚度为1mm。

本发明带来的效益是：

本发明由于采用锥台和螺旋渐变多臂结构，可使四臂螺旋天线具有宽带、高增益特性，如图5、6所示，电压驻波比小于1.5、增益大于5.4dB的频率范围可以覆盖GNSS的1.16～1.28GHz和1.55～1.61GHz的双频段。因此，将本发明天线用于卫星导航系统，一方面，其宽带特性可以显著减少天线的数目，缩减天线所占空间，降低采购和运营成本；另一方面，其高增益特性可以提高导航精度，降低水平面附近的噪声干扰，提高运营效率。

附图说明

图1是本发明天线的结构图；

图2是螺旋臂上的变量标注；

图3是图2中椭圆虚线区域的放大图；

图4是锥台剖面图及标注；

图5是本发明天线电压驻波比曲线；

图6是本发明天线增益随频率变化曲线；

图7是本发明天线在工作频带内的几个频点的宽角轴比曲线；

图8是本发明天线在不同频段的主极化和交叉极化方向图；其中图8a是1.16GHz、图8b是1.19GHz、图8c是1.22GHz、图8d是1.25GHz、图8e是1.28GHz、图8f是1.55GHz、图8g是1.58GHz、图8h是1.61GHz；

其中：1为锥台；2为柔性介质；3为主臂；4为副臂；5为金属贴片；6为第一连接体；7为第二连接体；8为金属地板；9为介质板；10为螺丝孔。

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8，其中图1、图2、图3和图4详细说明了本发明GNSS多频卫星导航天线的结构、参数及技术原理，图5、图6、图7和图8是本发明GNSS多频卫星导航天线的测试结果。

如图1、图2和图3所示，一种GNSS多频卫星导航天线，包括锥台、覆盖在锥台表面的柔性介质、印制在柔性介质表面的四个辐射体、第二连接体和连接在锥台底部的介质板；所述介质板下层为功分器，介质板上层为金属层构成的辐射地板，辐射体通过第二连接体与功分器连接。

所述辐射体由主臂、副臂、金属贴片和第一连接体构成，副臂通过第一连接体和主臂连接，主臂的输入端沿锥台表面设置有金属贴片；所述第二连接体一端与第一连接体连接，另一端与功分器的输出端焊接。

所述锥台的锥角为25°～30°，锥台的高度为中心频率的0.35～0.40倍波长。

一.技术原理

传统四臂螺旋天线由四根螺旋臂及金属支撑杆组成，每根螺旋臂长度为M·λ/4，其中M为整数，λ为工作波长，当M为奇数时，螺旋臂终端开路；当M为偶数时，螺旋臂终端短路。四根螺旋臂等幅激励，相位依次相差90°。四臂螺旋天线属于谐振式天线，在谐振模式下工作带宽仅有5%～8%，无法满足全球导航卫星系统（GPS、GLONASS、GALILEO、COMPASS）的应用。本发明将螺旋臂锥削渐变并覆到圆锥支撑体（称为锥台）上，使得不同频率对应的辐射区随着频率的变化而沿着锥台移动，也即是沿着螺旋臂移动，这样天线沿螺旋臂的特性阻抗变化平坦，天线输入阻抗随频率变化缓慢，天线带宽比柱形结构的四臂螺旋更宽。

为了得到带宽更宽的四臂螺旋天线，在每根螺旋臂上再添加一根螺旋臂（称为副臂），形成双臂形式，可以改变天线的等效电路结构，产生新的谐振点（包括副臂自身产生的谐振点以及副臂和主臂之间的耦合而产生的谐振点），新谐振点附近天线输入阻抗的虚部很小，天线容易匹配。但是，副臂的长短影响天线的谐振频点，同时也影响天线的增益，在副臂自身产生的谐振点附近，天线的增益急剧变小。为了使天线在GNSS频点上具有较高的增益，副臂自身产生的谐振点应该在GNSS频点之外，所以最后选取的副臂长度约为1.4GHz对应的0.18λ（λ为自由空间中的波长）。为了进一步减小天线输入阻抗的虚部，在每根辐射臂的输入端附近沿着锥台裹上一层金属贴片，利用贴片自身的容感性以及贴片与地之间的容性来调节天线的输入阻抗（主要是虚部）。对贴片的弧度（因为是裹在锥台上，贴片的长度依赖于弧度与半径）和高度进行优化，可以得到最佳的天线阻抗带宽。

综合采用上述技术措施，可以使四臂螺旋天线覆盖GNSS的所有工作频点，并且在这些频点上具有高增益。

二.天线结构

根据上述原理，本发明包括：辐射体，锥台，辐射地板，馈电网络。

所述的辐射体结构由四个改进的螺旋臂组成，每根螺旋臂为主臂、副臂和金属贴片的结合体，其中：主臂为顶端变细的渐变螺旋臂结构，接近于1匝，长度约为1.4GHz对应的3·λ/4(λ为自由空间中的波长）。副臂为顶端变细的渐变螺旋臂结构，0.37匝，长度约为1.4GHz对应的0.18λ。主臂和副臂之间有一长为w₆、宽为w₇的金属片（第一连接体），其作用是将主臂和副臂连接成一整体。

所述辐射体印刷在一层柔性介质（材料为环氧树脂，厚度0.15mm）上，然后再包裹到锥台上。

所述锥台为下底面大上底面小的纯聚四氟乙烯材料，其上半部分空心（壁厚为thick₁），下半部分除了一个直径3mm的孔（即螺丝孔，参照图4）外其他均为实心，锥台的半锥角为θ。

参照图4，本发明天线的支撑体1（即锥台1）为上底面小下底面大的纯聚四氟乙烯锥台，且上半部分空心，下半部分实心，锥台的尺寸已在图上标明。

所述的馈电网络为威尔金森功分器与改进型雪夫曼移相器，但这些技术已经非常成熟，不属于发明内容，所以说明书中未附功分器示意图。

根据上述结构本发明给出以下天线实例：

螺旋臂为良好导电金属材质，如铝或铜，印刷在环氧树脂材料做的薄柔性介质上，然后再裹到锥台的表面。

用与第一连接体6同样宽度的铜片将螺旋与馈电网络的输出端焊接。铜片的长度只要满足能够将螺旋臂与馈电网络焊接在一起即可。

本发明的优点可通过以下测试结果进一步说明：

1、测试内容

对上述实例天线进行了测试，给出了天线电压驻波比、增益、方向图、宽角轴比的测试结果。

2、测试结果

图5是实例天线电压驻波比随频率变化的曲线，从图中可以看出，在1.13～1.68GHz内，电压驻波比小于1.5。

图6是实例天线增益随频率变化的曲线，从图中可以看出，在GNSS的1.16～1.28GHz和1.55～1.61GHz的双频段内，增益大于5.4dB。

图7是实例天线的宽角轴比曲线，包括1.16GHz、1.19GHz、1.22GHz、1.28GHz、1.55GHz、1.58GHz和1.61GHz八个频点。从图中可以看出，这些频点的轴比在±70°内轴比小于3dB，说明本发明天线在GNSS频带内具有良好的宽角轴比性能，满足导航天线的要求。

图8是实例天线的主极化与交叉极化方向图，包括1.16GHz、1.19GHz、1.22GHz、1.28GHz、1.55GHz、1.58GHz和1.61GHz八个频点，这些频点在-60°～60°的上半空间内的交叉极化小于-20dB，能够有效抑制左旋圆极化波。

以上仅为本发明的一个实例，不构成对本发明的任何限制，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种GNSS多频卫星导航天线，其特征在于：包括锥台、覆盖在锥台表面的柔性介质、印制在柔性介质表面的四个辐射体、第二连接体和连接在锥台底部的介质板；所述介质板下层为功分器，介质板上层为金属层构成的辐射地板，辐射体通过第二连接体与功分器连接；所述辐射体由主臂、副臂、金属贴片和第一连接体构成，副臂通过第一连接体和主臂连接，主臂的输入端沿锥台表面设置有金属贴片；所述第二连接体一端与第一连接体连接，另一端与功分器的输出端焊接；

所述主臂的臂宽是渐变的，其结构由主臂方程决定，靠近锥台下底面的臂宽w为10～15mm；沿着锥台往上，臂宽逐渐变细，臂宽分别为w、w₁、w₂、n，2mm≤w₁≤4mm，2mm≤w₂≤3mm，且w₂≤w₁，0.9≤n≤1.1；

主臂方程：

主臂下包络线方程：

主臂上包络线方程：

所述副臂的臂宽是渐变的，其结构由副臂方程决定，臂宽由h_arm2、w_g、w₃、w₄、w₅、w₆、n₂决定，20mm≤h_arm2≤30mm，0.5mm≤w_g≤2mm，2mm≤w₃≤4mm，2mm≤w₄≤3mm，14mm≤w₅≤16mm，w₆＝w+w_g+w₃，0.3≤n₁≤0.4；

副臂方程：

副臂下包络线方程：

副臂上包络线方程：

其中r₁为柔性介质的下底面半径；r₂为柔性介质的上底面半径；r₃为锥台下底面半径；r₄为锥台上底面半径；r₅为锥台掏空区域的上底面半径；r₆为锥台掏空区域的下底面半径；r₇为螺孔的半径；h为锥台的高度；h₁为与锥台相接的圆柱体的高度；h₂为锥台下底到掏空区域的高度；h_stub为金属贴片的垂直高度；h_arm2为副臂顶部离锥台底部的高度；thick₁为锥台的壁厚；n为主臂的匝数；n₁为副臂的匝数；w为主臂的初始宽度；w_g为主臂和副臂在初始位置处的间距；w₁为渐变主臂上包络线的变化量；w₂为渐变主臂下包络线的变化量；w₃为副臂的初始宽度；w₄为渐变副臂下包络线的变化量；w₅为渐变副臂上包络线的变化量；w₆为第一连接体的长度；w₇为第一连接体的宽度；为金属贴片两边与轴线的夹角。

2.如权利要求1所述的GNSS多频卫星导航天线，其特征在于：所述锥台的锥角为25°～30°，锥台的高度为中心频率的0.35～0.40倍波长。

3.如权利要求1所述的GNSS多频卫星导航天线，其特征在于：所述金属贴片下边缘紧贴锥台的下底边缘，金属贴片左右两边与锥台的轴线的夹角为20°～40°，高度为4～8mm。

4.如权利要求1所述的GNSS多频卫星导航天线，其特征在于：所述锥台由纯聚四氟乙烯材料构成，其上半部分空心，下半部分为实心，锥台底部设置一个螺丝孔，锥台的半锥角为θ。

5.如权利要求1所述的GNSS多频卫星导航天线，其特征在于：所述介质板采用聚四氟乙烯，厚度为1mm。