CN103762426A - 一种宽频带高精度卫星定位终端天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全频带高精度卫星导航定位终端天线，包括单层辐射贴片、贴片介质和馈电板，其中辐射贴片固定在贴片介质的上表面，馈电板设置在贴片介质的下表面，馈电板上表面覆有由金属底板构成的地板，地板上开有中心位于天线对称轴上的十字缝隙，馈电板的下表面设有馈电网络，馈电网络含有四个相对天线对称轴对称并通过十字缝隙激励辐射贴片的辐射源，馈电板下方设有屏蔽体。本发明具有优良宽带圆极化特性，工作频率范围为1.1GHz-1.7GHz，驻波小于2；可同时满足多系统导航设备使用；保证天线的几何中心和相位中心稳定；可用于单兵系统和个人终端，也可推广到车载或其他移动载体；装配工艺简单，便于广泛推广。

Description

一种宽频带高精度卫星定位终端天线

技术领域

本发明涉及一种定位天线，尤其是一种宽频带高精度卫星定位终端天线。

背景技术

目前全球己经运营或在建的卫星导航系统有:美国的GPS系统,俄罗斯的GLONASS系统,欧洲的伽利略系统,以及我国的北斗卫星导航定位系统。定位与测量是卫星导航系统的两大功能,前者以伪码相位为观测量确定伪距,后者主要以载波相位观测确定伪距。卫星导航精密测量技术已经广泛应用于经济建设和科学技术的诸多领域,尤其是大地测量学及其相关学科领域,包括地球动力学、海洋大地测量学、天文学、地球物理勘探、资源勘探、工程测量与工程变形监测等。

在全球卫星导航定位系统中，所测的卫星到接收机的距离，实际上指的是卫星天线零相位中心点到接收机天线零相位中心点的距离。所以为了降低测量误差，天线的零相位中心点应在其覆盖区内保持稳定，并尽量接近天线的几何中心位置。对于来自不同仰角、方位上的卫星信号，接收天线的零相位中心位置实际有可能是不同的，这就引入了测量误差和定位误差。因此，接收天线应尽可能使零相位中心和天线几何中心一致。

导航测量型天线作为高精度卫星导航接收机的重要组成部分,它的性能直接关系到卫星导航接收机测量精度。天线的相位中心变化和多径效应是高精度卫星导航测量系统中的显著误差源。

目前不同GPS厂家推出了各种GPS测量天线：1、采用轴对称多馈源的微带叠层贴片天线，如Trimble公司的EyPhyr测量型天线和Topcon公司的LegAntZ&3。2、采用“风火轮”技术的多臂平面螺旋缝隙天线,如Novatel公司的GPS-600天线和Sokkia公司的sok600天线。尤其双频天线，其结构和馈电网络越来越复杂，工作带宽受限。目前现有的测量型天线大多采用多层叠层贴片和扼流圈结构，馈电部分采用探针，双馈电或多馈电结构造成轴比带宽和阻抗带宽有限，天线剖面高，部件多，装配工艺复杂，不利于批量生产，成本高，难于推广。

发明内容

针对现有测量天线中存在的结构和馈电网络复杂，以及带宽受限等问题，本发明提供了一种宽频带高精度卫星定位终端天线。

本发明的设计原理为：在天线工作波瓣内，为满足天线的相位中心高稳定度要求，天线的相位中心与几何中心的尽可能重合，通过轴对称多馈源设计保持天线的轴对称性；并满足天线的机械性能特定载体要求；采取合适的措施抑制多径效应，防止减小信号受到杂波干扰，本发明通过采用屏蔽腔和加大地板，抑制后向辐射和多径干扰。

本发明采用的技术方案是：

一种全频带高精度卫星导航定位终端天线，包括单层辐射贴片以及与天线对称轴同轴设置的贴片介质和馈电板，其中辐射贴片固定在贴片介质的上表面，贴片介质采用较大厚度材料，以增加天线阻抗带宽和增益。馈电板设置在贴片介质的下表面，所述馈电板上表面覆有由金属底板构成的地板，所述地板上开有中心位于天线对称轴上的十字缝隙，保证十字缝隙的中心仍处于天线的对称轴上，调节缝隙的长宽尺寸，满足阻抗匹配，同时使馈电网络通过十字缝隙激励辐射贴片。馈电板的下表面设有馈电网络，所述馈电网络含有四个相对天线对称轴对称并通过十字缝隙激励辐射贴片的辐射源，所述馈电板下方设有屏蔽体，所述屏蔽体围成馈电网络下方的屏蔽腔。

进一步地，全频带高精度卫星导航定位终端天线还包括构成天线顶端的介质盖板以及构成天线底端的安装基座，其中所述介质盖板呈圆形并由透波的ABS塑料制成，不影响天线辐射性能的同时，保证其满足结构强度要求，并对下层辐射体起到保护作用。介质盖板圆心位于天线的对称轴上，所述安装基座为非金属无底空心圆柱。

优选地，所述辐射源的幅度相等，相位分别为90°，180°，270°，0°。

其中，所述辐射贴片为准正方形微带贴片，所述贴片介质和馈电板为圆形。

进一步地，所述屏蔽体为上部呈开放式的圆柱体，采用铝质材料制成，其上外沿与所述地板齐平，主要作用是：屏蔽馈电网络辐射出的电磁波，以保障天线相位中心的稳定；优选地，安装基座为非金属无底空心圆柱，其主要作用是安装固定整个天线。

优选地，分别在所述介质盖板、贴片介质、馈电板和屏蔽体上设有沿圆周排列的四个安装孔，通过非金属螺丝固定到一起，在所述屏蔽体的底部中心设置通孔，天线通过50Ω同轴线穿过所述通孔和系统相连。

优选地，所述馈电网络为两级一分四Wilkinson功分器，馈电网络经过λ4和λ2微带传输线产生四个幅度相等激励源，并且相位满足分别为90°，180°，270°，0°。

进一步地，所述介质盖板和所述贴片介质均采用低介电常数高频复合材料，其介电常数为3.2；所述馈电板采用高频符合材料双面覆铜板，其介电常数为9.8。

本发明的有益效果是：本发明具有优良宽带圆极化特性，可覆盖GPS、GLONASS和北斗多个导航系统，工作频率范围为1.1GHz-1.7GHz，带宽600MHz，驻波小于2。接收信号由单端口输出，同时满足多系统导航设备使用；结构设计高度轴对称，保证天线的几何中心和相位中心稳定；无需增加扼流圈等复杂外部结构，亦能满足相位中心偏移≤±1mm指标，即可满足导航应用要求，也可以适用于精确定位和测量；由于本发明尺寸便携，可以用于单兵系统和个人终端，也可以推广到车载或其他移动载体；本发明装配工艺简单，贴片和馈电网络之间无需探针焊接馈电点，只通过四个螺丝和安装孔位固定连接，便于广泛推广。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1所示为宽频带高精度卫星定位终端天线整体结构分解图；

图2所示为宽频带高精度卫星定位终端天线整体结构示意图；

图3所示为本发明实测电压驻波比随频率变化曲线；

图4所示为本发明频率1207MHz实测XOZ面方向图；

图5所示为本发明频率1207MHz实测YOZ面方向图；

图6所示为本发明频率1227MHz实测XOZ面方向图；

图7所示为本发明频率1227MHz实测YOZ面方向图；

图8所示为本发明频率1268MHz实测XOZ面方向图；

图9所示为本发明频率1268MHz实测YOZ面方向图；

图10所示为本发明频率1561MHz实测XOZ面方向图；

图11所示为本发明频率1561Hz实测YOZ面方向图；

图12所示为本发明频率1575MHz实测XOZ面方向图；

图13所示为本发明频率1575MHz实测YOZ面方向图。

具体实施方式

本发明除了采用低介电常数的高频复合材料，增加材料的厚度，还通过在地板41上开十字缝隙42耦合馈电技术，进一步展宽天线工作带宽。加工精度通过印制板腐蚀工艺保证，误差范围在±0.01mm内，安装精度分别通过介质盖板1、贴片介质3、馈电板4和屏蔽体5上有四个安装孔位保证，用非金属螺丝和螺纹胶进行固定。

结合图1和图2可以看出，天线包括单层辐射贴片2以及与天线对称轴同轴设置的贴片介质3和馈电板4，其中辐射贴片2固定在贴片介质3的上表面，贴片介质3采用较大厚度材料，以增加天线阻抗带宽和增益。馈电板4设置在贴片介质3的下表面，所述馈电板4上表面覆有由金属底板构成的地板41，所述地板41上开有中心位于天线对称轴上的十字缝隙42，保证十字缝隙42的中心仍处于天线的对称轴上，调节缝隙的长宽尺寸，满足阻抗匹配，同时使馈电网络43通过十字缝隙42激励辐射贴片2。馈电板4的下表面设有馈电网络43，所述馈电网络43含有四个相对天线对称轴对称并通过十字缝隙42激励辐射贴片2的辐射源，所述馈电板4下方设有屏蔽体5，所述屏蔽体5围成馈电网络43下方的屏蔽腔。

馈电板4下方屏蔽体5为铝质圆柱形腔体。屏蔽体5外直径132mm，腔体内径R3为126mm。屏蔽体5总高度为底盖厚度与腔体内壁高度相加，其中底盖厚度高度为15mm，腔体内壁高度4mm。在屏蔽体5的底部金属盖中心留有一半径为30mm的通孔，以便50Ω同轴电缆（同系统连接电缆）通过完成对信号输出。

优选地，全频带高精度卫星导航定位终端天线还包括构成天线顶端的介质盖板1以及构成天线底端的安装基座6，其中所述介质盖板1呈圆形并由透波的ABS塑料制成，其介电常数为3.2，直径为132mm，其厚度通过反复测试后厚度为2.2mm时辐射效果最佳，不影响天线辐射性能的同时，保证其满足结构强度要求，并对下层辐射体起到保护作用。介质盖板1圆心位于天线的对称轴上，所述安装基座6为非金属无底空心圆柱，高度为d2=20mm。其主要作用是安装固定整个天线。

作为本实施例的进一步改进，所述辐射贴片2是边长为L1准正方形铜片，表面镀银处理，L1尺寸由HFSS软件计算，经过实测调整，得到最佳尺寸为35mm。贴片介质3的仍采用低介电常数高频复合材料，厚度为16mm有利于展宽天线的工作频段，介电常数为3.2，形状为圆形，直径为132mm。馈电板4亦为直径等于132mm的圆形，采用介电常数9.8厚度为2.2mm的高频复合材料双面覆铜板，上表面镀银铜层为地板41，下表面金属层，腐蚀成一分四的两极功分网络。地板41的圆心作为十字开缝42的中心，缝隙的四条边对应介质下表面的馈电网路43的四个50Ω馈点位置。缝隙的长度为L，宽度为W，通过HFSS软件计算得到，实测调整得到最佳尺寸L=40mm,W=6.2mm。

作为本实施例的进一步改进，所述屏蔽体5为上部呈开放式的圆柱体，采用铝质材料制成。屏蔽体5上外沿与地板41齐平，外沿台阶可固定馈电网络43，同时屏蔽微带线辐射出的电磁波，以保障天线相位中心的稳定。

优选地，分别在所述介质盖板1、贴片介质3、馈电板4和屏蔽体5上设有沿圆周排列的四个安装孔，通过非金属螺丝固定到一起，在所述屏蔽体5的底部中心设置通孔，天线通过50Ω同轴线穿过所述通孔和系统相连。

作为本实施例的进一步改进，馈电板4下表面馈电网络43通过为两级一分四Wilkinson功分器，产生四个幅度相等、相位分别依次相差90°的信号，在第一级一分二功分网络λ2微带传输线等幅输出，两端口相位相差180°，第二级功分网络采用λ4微带传输线等幅输出，两端口相位相差90°，形成四端口90°，180°，270°，0°等幅激励通过十字缝隙42耦合在辐射贴片2产生右旋圆极化波。

如图3所示，本发明宽频带高精度卫星定位终端天线在1.0GHZ-1.8GHZ范围内，驻波小于2。从图4-图13中可以看出，在工作频率范围内，宽频宽高精度卫星定位终端天线有效地仰制了后向辐射。

本实施例仅是为了具体清楚地描述本发明实施过程，不作为对本发明的限制，在不违背本发明的思想和范围的前提下，可以做出各种修改和添加，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，包括单层辐射贴片（2）以及与天线对称轴同轴设置的贴片介质（3）和馈电板（4），其中辐射贴片（2）固定在贴片介质（3）的上表面，馈电板（4）设置在贴片介质（3）的下表面，所述馈电板（4）上表面覆有由金属底板构成的地板（41），所述地板（41）上开有中心位于天线对称轴上的十字缝隙（42），馈电板（4）的下表面设有馈电网络（43），所述馈电网络（43）含有四个相对天线对称轴对称并通过十字缝隙（42）激励辐射贴片（2）的辐射源，所述馈电板（4）下方设有屏蔽体（5），所述屏蔽体（5）围成馈电网络（43）下方的屏蔽腔。

2.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，还包括构成天线顶端的介质盖板（1）以及构成天线底端的安装基座（6），其中所述介质盖板（1）呈圆形并由透波的ABS塑料制成，其圆心位于天线的对称轴上，所述安装基座（6）为非金属无底空心圆柱。

3.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述辐射源的幅度相等，相位分别为90°，180°，270°，0°。

4.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述辐射贴片（2）为准正方形微带贴片，所述贴片介质（3）和馈电板（4）为圆形。

5.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述屏蔽体（5）为上部呈开放式的圆柱体，采用铝质材料制成，其上外沿与所述地板（41）齐平。

6.根据权利要求2所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，分别在所述介质盖板（1）、贴片介质（3）、馈电板（4）和屏蔽体（5）上设有沿圆周排列的四个安装孔，通过非金属螺丝固定到一起，在所述屏蔽体（5）的底部中心设置通孔，天线通过50Ω同轴线穿过所述通孔和系统相连。

7.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述馈电网络（43）为两级一分四Wilkinson功分器。

8.根据权利要求2所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述介质盖板（1）和所述贴片介质（3）均采用低介电常数高频复合材料，其介电常数为3.2。

9.根据权利要求1所述的全频带高精度卫星导航定位终端天线，其特征在于，所述馈电板（4）采用高频符合材料双面覆铜板，其介电常数为9.8。

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