CN103594794B - 一种高性能多模卫星导航有源天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能多模卫星导航有源天线，包括抑制表面波天线、双频带正交馈电网络、馈电探针、短路探针、宽带低噪声放大器和塑料螺丝；抑制表面波天线的结构至上而下依次为电容板、第一介质基板、抑制表面波贴片、第二介质基板及地板，在第二介质基板和地板间设有补偿空气层；抑制表面波贴片通过电容板耦合馈电；抑制表面波贴片由圆形贴片和圆环贴片构成；宽带低噪声放大器位于介质基板的下表面，其输入端口与双频带正交馈电网络的输出端口通过同轴电缆连接；抑制表面波天线和双频带正交馈电网络通过塑料螺丝进行固定。本发明具有抗多径干扰能力强，增益高，圆极化性能好的特点，非常适合应用于高精度卫星定位导航和授时系统中。

Description

一种高性能多模卫星导航有源天线

技术领域

本发明涉及一种高性能多模卫星导航有源天线，尤其是指应用于高精度、抗多径干扰卫星定位导航和授时系统中的有源天线。

背景技术

全球卫星导航系统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。由于卫星导航系统不仅在经济领域有重要性，在国防方面也有不可替代的作用，因此只要有实力的国家都想建立自主的卫星导航系统。目前的卫星导航系统有美国的GPS(Global Positioning System)全球卫星导航系统、俄罗斯的GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)全球卫星导航系统和我国的北斗一号区域性卫星导航系统，其中美国的GPS是应用最为广泛和成功的，具有全球性、全天候、连续、精确实时的定位、导航、授时功能，能在全球任何地点、任何时间提供用户静止的或动态的地理位置和时间信息，同时具有操作方便等显著优点。目前正在发展建设的全球卫星导航系统有欧洲的GALILEO系统、日本的准天顶卫星系统以及我国的北斗二号卫星导航系统等。

显然，卫星导航技术具有广阔的应用前景，各国正竞相发展自己的卫星导航系统。但是每个导航系统的卫星在空间的分布是有限的，所提供的定位精确度、可靠性和可用性均存在局限性，因此未来的卫星导航必将是多模式兼容和多系统集成，而终端天线作为卫星导航系统的重要组成部分，其性能好坏将对整个系统的性能产生重大的影响，因此研究多模卫星导航终端天线具有重要的意义。

此外，对于船舶应用来说，由于海上天气多变、环境恶劣，卫星导航终端易受到多径干扰，因此要求天线对这些干扰信号具有很好的抑制性。研究出宽带多频抗多径干扰的多模卫星导航终端天线具有现实意义。目前，卫星导航终端天线大都是无源天线，不适合船舶等特殊场合使用，这是因为船舶上所使用的卫星导航接收机一般设置在船舱内，而天线固定在桅杆上，接收机与天线之间的距离很远，多达几十米，连接它们的馈线很长。馈线越长对接收到的卫星导航信号的衰减也就越大。因此，为了提高系统性能，多模卫星导航有源集成终端天线的研究越来越受到关注。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种能够接受GPS、GLONSAA、Galileo和“北斗”定位导航信号的高性能多模卫星导航有源天线。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于：包括抑制表面波天线、双频带正交馈电网络、馈电探针、短路探针、宽带低噪声放大器和塑料螺丝；

所述抑制表面波天线的结构至上而下依次为电容板、第一介质基板、抑制表面波贴片、第二介质基板以及地板，同时在第二介质基板和地板间设有补偿空气层；

所述抑制表面波贴片通过电容板耦合馈电，用于补偿由馈电探针引入的电感，提高所述抑制表面波天线的阻抗带宽；

所述抑制表面波贴片由圆形贴片和圆环贴片构成，所述圆形贴片和圆环贴片通过短路探针与地板连接，提高所述抑制表面波天线的抗多径干扰能力；

所述宽带低噪声放大器位于介质基板的下表面，其输入端口与双频带正交馈电网络的输出端口通过同轴电缆连接，所述宽带低噪声放大器的输出端口采用射频/直流共线技术；

所述抑制表面波天线和双频带正交馈电网络通过塑料螺丝进行固定。

所述电容板包括第一矩形贴片、第二矩形贴片、第三矩形贴片以及第四矩形贴片；其中，第一矩形贴片、第二矩形贴片分别通过馈电探针与双频带正交馈电网络的端口连接，所述第三矩形贴片、第四矩形贴片通过馈电探针与双频带正交馈电网络的端口连接；各个矩形贴片在馈电探针穿越的圆形贴片、圆环贴片和地板的相应位置处设有保护孔，且保护孔的直径大于馈电探针的直径。

所述圆形贴片通过第三矩形贴片和第四矩形贴片耦合馈电，工作于高频段1.548-1.592GHz，用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；所述圆环贴片通过第一矩形贴片和第二矩形贴片耦合馈电，工作于低频段1.110-1.3241GHz，用于接收L2/L5频段附近的卫星定位导航信号；且所述第三矩形贴片和第四矩形贴片与圆形贴片构成耦合电容，第一矩形贴片和第二矩形贴片与圆环贴片构成耦合电容，这两个耦合电容补偿了由馈电探针引入的电感，从而提高抑制表面波天线的阻抗带宽。

所述双频带正交馈电网络由高频段横跨定向耦合器、低频段横跨定向耦合器、高频段缺陷性地结构带阻滤波器一、高频段缺陷性地结构带阻滤波器二、高频段缺陷性地结构带阻滤波器三和低频段缺陷性地结构带阻滤波器组成并固定在介质基板的下表面。

所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器一及高频段缺陷性地结构带阻滤波器二，分别连接到低频段横跨定向耦合器的端口，有效抑制了圆形贴片与圆环贴片之间的互耦效应。

所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器三的端口连接到低频段横跨定向耦合器的端口，所述低频段缺陷性地结构带阻滤波器的端口连接到高频段横跨定向耦合器的端口；所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器三的另一端口与所述低频段缺陷性地结构带阻滤波器的端口通过一个T型枝节连接。

所述馈电探针长度随所述补偿空气层厚度的变化而变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

由于采用了上述技术方案，本发明提供的高性能多模卫星导航有源天线，通过提高天线的工作带宽，从而满足各种模式卫星定位导航终端天线高精度定位和授时系统中的使用要求；并且该天线抗多径干扰能力强和增益高，又具有圆极化性能好的特点，非常适合应用于高精度卫星定位导航和授时系统中。

附图说明

图1是本发明高性能多模卫星导航有源天线的分解结构图；

图2是抑制表面波天线的俯视图；

图3是抑制表面波天线的侧视图

图4是双频带正交馈电网络的结构视图；

图5是宽带低噪声放大器的结构视图；

图6是本发明高性能多模卫星导航有源天线的电压驻波比图；

图7是本发明高性能多模卫星导航有源天线的增益图；

图8是本发明高性能多模卫星导航有源天线的轴比图；

图9是本发明高性能多模卫星导航有源天线在1.21GHz处的辐射模式图；

图10是本发明高性能多模卫星导航有源天线在1.575GHz处的辐射模式图；

图中：1、抑制表面波天线，11、电容板，111、第一矩形贴片，112、第二矩形贴片，113、第三矩形贴片，114、第四矩形贴片，12、第一介质基板，13、抑制表面波贴片，131、圆形贴片，132、圆环贴片，14、第二介质基板，15、地板，16、第三介质基板，17、补偿空气层，2、双频带正交馈电网络，201、双频带正交馈电网络端口，202、双频带正交馈电网络端口，203、双频带正交馈电网络端口，204、双频带正交馈电网络端口，21、高频段横跨定向耦合器，211、高频段横跨定向耦合器端口，22、低频段横跨定向耦合器，221、低频段横跨定向耦合器端口，222、低频段横跨定向耦合器端口，23、高频段缺陷性地结构带阻滤波器一，24、高频段缺陷性地结构带阻滤波器二，25、高频段缺陷性地结构带阻滤波器三，251、高频段缺陷性地结构带阻滤波器端口，252、高频段缺陷性地结构带阻滤波器端口，26低频段缺陷性地结构带阻滤波器，261、低频段缺陷性地结构带阻滤波器端口，262、低频段缺陷性地结构带阻滤波器端口，27、双频带正交馈电网络的输出端口，3、馈电探针，4、短路探针，5、宽带低噪声放大器，51、宽带低噪声放大器的输入端口，52、宽带低噪声放大器的输出端口，6、塑料螺丝，7、保护孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明采用的技术原理为：

采用圆形贴片131与圆环贴片132实现双频带工作；为了保证低频段231MHz的带宽和高频段44MHz的带宽，采用电容板11耦合馈电方式；为了提高天线的抗多径能力，采用短路探针抑制表面波；为了实现右旋圆极化（RHCP）接收，采用双频带正交馈电网络2对天线馈电，且双频带正交馈电网络2集成到抑制表面波天线1）下方，结构紧凑，便于加工；为了抑制圆形贴片131与圆环贴片132）间的互耦效应，将高频段缺陷性地结构带阻滤波器23和24插入低频段横跨定向耦合器（22）的端口221和222）；为了将圆形贴片131）与短路圆环贴片（132）接收的信号合为一路信号，将高频段缺陷性地结构带阻滤波器（25）与低频段缺陷性地结构带阻滤波器（26）通过T型枝节连接，以便使用一个宽带低噪声放大器（5）进行信号放大；为了使宽带低噪声放大器（5）的直流偏置电压与射频输出信号共线，以减少外接电源线，采用射频/直流共线技术并将其应用于宽带低噪声放大器（5），所述的射频/直流共线技术是指使低噪声放大器射频输出信号与直流偏置信号可以在同一根传输线上传输的技术。

本发明所采用的有源天线技术指标如下：

频率范围：1.110-1.3241GHz，1.548-1.592GHz

极化方式：RHCP

VSWR：<1.5:1

轴比：<3dB

天线增益：>7dBi（顶点）；<-17dBi（仰角5°以下）

天线波束：方位0-2110°，仰角5°-90°。

馈电方式：50欧姆SMA连接器

噪声系数：0.8±0.05dB

低噪声放大器增益：>241dB

如图1～图4所示，本发明高性能多模卫星导航有源天线包括抑制表面波天线（1）、双频带正交馈电网络（2）、馈电探针（3）、短路探针（4）、宽带低噪声放大器（5）和塑料螺丝（6）；抑制表面波天线（1）包括电容板（11）、介质基板（12）、圆形贴片（131）、圆环贴片（132）、介质基板（14）、地板（15）、补偿空气层（17）和保护孔（7）（如图2和3所示）；圆形贴片（131）通过第三矩形贴片（113）和第四矩形贴片（114）耦合馈电，工作于高频段（1.548-1.592GHz），用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；圆环贴片（132）通过第一矩形贴片（111）和第二矩形贴片（112）耦合馈电，工作于低频段（1.110-1.3241GHz），用于接收L2/L5频段附近的卫星定位导航信号；矩形贴片（111、112）（113、114）分别与圆形贴片（131）、圆环贴片（132）构成耦合电容，这两个耦合电容补偿了由连接探针引入的电感，从而提高了抑制表面波天线（1）的阻抗带宽。

第一矩形贴片（111）和第二矩形贴片（112）通过馈电探针（3）与双频带正交馈电网络（2）的端口（201和202）连接，第三矩形贴片（113）和第四矩形贴片（114）通过馈电探针（3）与双频带正交馈电网络（2）的端口（203和204）连接。因为介质基板（14）的介电常数较大，天线工作频带窄，采用补偿空气层（17）调谐，提高天线工作带宽；调谐时改变补偿空气层（17）的厚度，当高性能多模卫星导航天线的输入驻波比在1.110-1.3241GHz和1.548-1.592GHz频率内同时小于1.5时，说明补偿空气层（17）厚度已经合适；确定所述补偿空气层（17）和馈电探针（3）的长度，最后用塑料螺丝（6）把抑制表面波天线（1）和双频带正交馈电网络（2）固定在一起。为了避免圆形贴片（131）、短路圆环贴片（132）、地板（15）和馈电探针（3）短路，在相应的位置过保护孔（7），这样电容板（11）和圆形贴片（131）、圆环贴片（132）之间才能构成耦合电容。

如图4所示双频带正交馈电网络（2）包括高频段横跨定向耦合器（21）、低频段横跨定向耦合器（22）、高频段缺陷性地结构带阻滤波器一、二、三（23、24和25）和低频段缺陷性地结构带阻滤波器（26）。高频段横跨定向耦合器（21）和低频段横跨定向耦合器（22）分别对圆形贴片（131）、圆环贴片（132）馈电。高频段缺陷性地结构带阻滤波器一、二（23和24）与低频段横跨定向耦合器（22）的端口（221和222）连接，以抑制圆形贴片（131和圆环贴片（132）的互耦效应。高频段缺陷性地结构带阻滤波器（25）三的端口（252）连接到低频段横跨定向耦合器（22）的端口（221），低频段缺陷性地结构带阻滤波器（26）的端口（261）连接到高频段横跨定向耦合器（21）的端口（211）。高频段缺陷性地结构带阻滤波器三（25）的端口（251）与低频段缺陷性地结构带阻滤波器（26）的端口（262）通过一个T型枝节连接。如图5所示宽带低噪声放大器（5）的端口（51）与双频带正交馈电网络（2）的端口（27）通过同轴电缆连接，放大接收的微弱信号。在宽带低噪声放大器（5）的端口（52）采用射频/直流共线技术，以减少外接电源线。本发明提出的双频正交馈电网络（2），由于采用了高频段横跨定向耦合器（21）和低频段横跨定向耦合器（22），在1.110-1.3241GHz和1.548-1.592GHz频率范围内，输出端口幅度差小于0.3dB、相移差为90°±5°，提高了所述高性能多模卫星导航有源天线的圆极化性能。由于采用了高频段缺陷性地结构带阻滤波器（23和24），有效抑制了圆形贴片（131）和圆环贴片（132）间的互耦效应。

如图6，本发明高性能多模卫星导航有源天线的电压驻波比在工作频段1.110-1.3241GHz和1.548-1.592GHz频率范围内均小于1.5，说明本发明高性能多模卫星导航有源天线输入端匹配良好。图7和图8分别为本发明高性能多模卫星导航有源天线的增益和轴比曲线图。由测试结果可知，该天线在1.110-1.3241GHz和1.548-1.592GHz频率范围内，轴比小于3dB，增益大于7dBi。图9和图10分别为本发明高性能多模卫星导航有源天线在工作频率1.21GHz和1.575GHz的辐射模式图。可以看到，该天线具有波束宽，圆极化性能好，低仰角的特点，非常适合于高精度卫星定位导航和授时系统中的应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于：包括抑制表面波天线(1)、双频带正交馈电网络(2)、馈电探针(3)、短路探针(4)、宽带低噪声放大器(5)和塑料螺丝(6)；

所述抑制表面波天线(1)的结构至上而下依次为电容板(11)、第一介质基板(12)、抑制表面波贴片(13)、第二介质基板(14)以及地板(15)，同时在第二介质基板(14)和地板(15)间设有补偿空气层(17)；

所述抑制表面波贴片(13)通过电容板(11)耦合馈电，用于补偿由馈电探针(3)引入的电感，提高所述抑制表面波天线(1)的阻抗带宽；

所述抑制表面波贴片(13)由圆形贴片(131)和圆环贴片(132)构成，所述圆形贴片(131)和圆环贴片(132)分别通过短路探针(4)与地板(15)连接，提高所述抑制表面波天线(1)的抗多径干扰能力；

所述宽带低噪声放大器(5)位于介质基板(16)的下表面，其输入端口(51)与双频带正交馈电网络(2)的输出端口(27)通过同轴电缆连接，所述宽带低噪声放大器(5)的输出端口(52)采用射频/直流共线技术；

所述抑制表面波天线(1)和双频带正交馈电网络(2)通过塑料螺丝(6)进行固定；

同时所述双频带正交馈电网络(2)由高频段横跨定向耦合器(21)、低频段横跨定向耦合器(22)、高频段缺陷性地结构带阻滤波器一(23)、高频段缺陷性地结构带阻滤波器二(24)、高频段缺陷性地结构带阻滤波器三(25)和低频段缺陷性地结构带阻滤波器(26)组成并固定在介质基板(16)的下表面；所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器一(23)、高频段缺陷性地结构带阻滤波器二(24)，分别连接到低频段横跨定向耦合器(22)的端口(221和222)，有效抑制了圆形贴片(131)与圆环贴片(132)之间的互耦效应。

2.根据权利要求1所述的一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于所述电容板(11)包括第一矩形贴片(111)、第二矩形贴片(112)、第三矩形贴片(113)以及第四矩形贴片(114)；其中，第一矩形贴片(111)、第二矩形贴片(112)分别通过馈电探针(3)与双频带正交馈电网络(2)的端口(201和202)连接，所述第三矩形贴片(113)、第四矩形贴片(114)通过馈电探针(3)与双频带正交馈电网络(2)的端口(203和204)连接；各个矩形贴片(111)在馈电探针(3)穿越的圆形贴片(131)、圆环贴片(132)和地板(15)的相应位置处设有保护孔(7)，且保护孔(7)的直径大于馈电探针(3)的直径。

3.根据权利要求1所述的一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于：所述圆形贴片(131)通过第三矩形贴片(113)和第四矩形贴片(114)耦合馈电，工作于高频段1.548-1.592GHz，用于接收L1频段附近的卫星定位导航信号；所述圆环贴片(132)通过第一矩形贴片(111)和第二矩形贴片(112)耦合馈电，工作于低频段1.110-1.3241GHz，用于接收L2/L5频段附近的卫星定位导航信号；且所述矩形贴片(111、112)、(113、114)分别与圆形贴片(131)、圆环贴片(132)构成耦合电容，这两个耦合电容补偿了由馈电探针(3)引入的电感，从而提高抑制表面波天线(1)的阻抗带宽。

4.根据权利要求1所述的一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于：所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器三(25)的端口(252)连接到低频段横跨定向耦合器(22)的端口(221)，所述低频段缺陷性地结构带阻滤波器(26)的端口(261)连接到高频段横跨定向耦合器(21)的端口(211)；所述高频段缺陷性地结构带阻滤波器三(25)的端口(251)与所述低频段缺陷性地结构带阻滤波器(26)的端口(262)通过一个T型枝节连接。

5.根据权利要求1所述的一种高性能多模卫星导航有源天线，其特征在于：所述馈电探针(3)长度随所述补偿空气层(17)厚度的变化而变化。