CN103794870A

CN103794870A - 小型化三阶频率可重构北斗导航天线

Info

Publication number: CN103794870A
Application number: CN201410003838.6A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 郑会利; 袁盟盟; 冯茂秘; 栗曦
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2014-01-03
Filing date: 2014-01-03
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2034-01-03
Also published as: CN103794870B

Abstract

本发明公开了一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其创新点在于：采用短路加载微带天线的形式，所述天线为一由上半部分和下半部分组成的圆柱体；所述上半部分和所述下半部分完全断开；所述上半部分为可旋转部分，设置有金属贴片、短路金属带、短路金属柱A和馈电探针配置；所述下半部分为固定部分，设置有馈电网络和短路金属柱B。本发明提供的机械式频率可重构天线，通过旋转天线上半部分可以使得天线在北斗二代导航系统的三个频带切换，利用短路加载结构的连通与断开，实现了微带天线的频率可重构，真正意义上实现了天线的结构复用。本发明的可重构天线在北斗二代导航系统的三个频带内均拥有很好的宽带、方向图、增益和圆极化辐射特性。

Description

小型化三阶频率可重构北斗导航天线

技术领域：

本发明涉及一种卫星导航天线，具体涉及一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，属于卫星导航天线技术领域。

背景技术：

随着卫星导航技术的快速发展，许多国家都建立了自己的卫星导航系统，北斗二代（Compass）导航系统是中国自行研制的全球定位卫星导航系统，是即美国的GPS，俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度高可靠定位、导航、授时服务。北斗二代导航系统一共有三个频段，分别是B1频段（1559MHz——1591MHz）、B2频段（1192MHz——1215MHz）、B3频段（1260MHz——1279MHz）。在导航系统当中，终端导航天线起着至关重要的作用。所以，对于北斗导航三频段手持机，需要设计一种能全部满足三个频段使用要求的北斗导航小型化天线来满足其使用要求。

传统的三频天线设计难度非常大，尤其是对于北斗二代导航系统的这三个频段，这是因为这三个频带相隔非常窄，而且都要求一定的带宽，同时还必须满足圆极化辐射的特性。所以目前所发表的文献中还没有见到针对北斗二代这三个频点设计的三频天线。宽带GNSS全频段导航天线能满足北斗导航系统三频段的使用要求，但是GNSS天线最初是为了满足从1.1GHz——1.6GHz的多种卫星体质兼容的全球卫星导航系统的使用要求而设计的。宽带化的设计使其体积非常大，不适合手持机使用，而且1.1GHz——1.6GHz的宽频带性能对于只需要三个频段的北斗二代导航系统而言是一种资源浪费。所以目前来说，北斗二代三频导航天线目前在天线领域依旧是空白。

可重构天线是近些年新出现的一种天线形式，可重构天线有很多种类，包括频率可重构，方向图可重构，极化可重构天线等等。但无论哪种可重构天线都是通过电开关（二极管）或者机械开关来切换不同的工作模式（改变天线的结构和电流分布）从而实现可重构的。相对于传统天线，可重构天线体积较小并且适合于性能复杂多样化的天线设计。

微带天线因其小型化、低剖面、易加工的特点在导航天线中有着最广泛的应用，但是目前并没有发表过的文章或者专利能对微带天线进行机械式可重构设计。之前发表的机械式可重构天线多为单极子天线，而且均是通过一个馈电端口在多个单极子之间进行旋转式切换来实现可重构的，这样不能真正意义上实现结构复用从而导致天线体积过大。与此同时，短路加载技术是微带天线一种常用的小型化技术，使用金属探针在微带天线上层贴片和下层地板之间直接连接或者耦合连接，可以使得天线谐振频率大幅下降从而实现小型化。

发明内容：

本发明针对现阶段北斗二代导航系统的三频段导航天线的空白，以及对北斗手持机天线三频段和小型化的需求，提供了一种三阶频率可重构微带天线，实现了结构复用，具有小型化，低剖面的特点，并且各项技术指标（带宽、轴比带宽、增益）在三个频段内均满足要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：采用短路加载微带天线的形式，所述天线为一由上半部分和下半部分组成的圆柱体；所述上半部分和所述下半部分完全断开；

所述上半部分为可旋转部分，设置有金属贴片、短路金属带、短路金属柱A和馈电探针配置；所述上半部分最上端设置有金属贴片，所述金属贴片上均匀设置有四个与短路金属带匹配的槽，金属贴片所在区域内均匀分布有三组L型馈电探针配置，分别为配置1、配置2和配置3；天线上半部分中设置有四个完全相同的短路金属带，所述四个短路金属带均匀分布在圆周上，与金属贴片相离，且每个短路金属带上均设置一个短路金属柱A，通过短路金属柱A通向天线下半部分；

所述下半部分为固定部分，设置有馈电网络和短路金属柱B；下半部分最底部设置有由宽带移相器组成的馈电网络，所述馈电网路采用双馈圆极化配置，设置有两个馈电配置，所述馈电网络包括端口1、端口2和端口3，所述端口1为天线总馈电端口,通过宽带移相器,输出能量通过端口2和端口3向天线馈电,短路金属柱B分为三组短路到地板，分别记为配置I、II、III，配置I、II、III均包括四个短路金属柱B。

进一步的，所述配置III为折叠式的短路结构，利用印刷电路板金属化过孔技术，使其有效短路金属结构长度合理地增加，而配置I的金属铜柱直接短路到地板。

进一步的，所述上半部分的短路金属带中设置一个和与金属带垂直的金属结构，形成了一个十字型的短路金属带。

进一步的，所述断开点均设置了金属盘，防止出现旋转后接触不良的现象。

进一步的，所述天线中间还设置了一个圆孔用来放置旋转轴。

本发明的可重构微带天线采用的是短路加载微带天线的形式，短路加载是一种微带天线常用的小型化技术，传统的短路加载技术指的是从微带天线的辐射贴片直接引出或者耦合引出金属带，再连接到短路金属柱直接短路到地板，这种技术可以使微带天线的谐振频率大幅下降从而实现微带天线的小型化。在短路加载微带天线当中，短路加载金属柱是否直接短路到地板，短路金属柱和金属带的长度，这两个因素对天线的谐振频率起着至关重要的影响。本专利正式利用短路加载技术这一特点，在同一微带天线中设计多套结构不同短路加载结构，通过旋转天线上半部分结构从而实现不同短路加载结构的切换，从而实现频率可重构。

天线具体的频率可重构实现原理：天线的起始状态时天线下半部分通过配置I进行短路，上半部分通过配置1馈电，此时天线通过参数调整在北斗导航B3频段谐振，天线作用频段为1258MHz——1278MHz，此状态标记为B3状态。之后将天线上半部分逆时针旋转120度，下半部分固定不动，天线上半部分的短路结构就和下半部分的配置III相连接并起短路作用；相对应的下半部分的两个馈电点就和上半部分的配置3相连接并起馈电作用。这时，利用短路配置I和III结构上的不同（增加短路结构有效长度），就可以将天线的谐振频率降低到北斗B2频段（1192MHz——1215MHz），此状态标记为B2状态；再利用上半部分馈电配置1和3的结构不同，可以使天线在B2频段谐振状态下实现阻抗匹配。同样的过程，将天线从B3状态顺时针旋转120度，就可以将天线的谐振频率从B3频段上移至北斗导航B1频段（1559MHz——1591MHz），此状态标记为B1状态。

需要说明的是，所谓的B1状态下的短路配置（配置II）实际上并没有任何金属结构，也就说是在B1状态下，天线短路结构通过上半部分以后并没有连接到下半部分的地板，从而没有实现短路加载，这样可使天线的谐振频率大幅上升从而使天线谐振在频率相对较高的B1频段。

本发明的有益效果：

（1）本发明提供的机械式频率可重构天线，通过旋转天线上半部分可以使得天线在北斗二代导航系统的B1、B2、B3三个频带切换。

（2）利用短路加载结构的连通与断开，实现了微带天线的频率可重构，同时因为短路加载技术的使用，真正意义上实现了天线的结构复用，使得天线有较小的电尺寸和较低的剖面，直径仅有60mm（0.24波长），高度12mm（0.048波长）。

（3）仿真和实测数据证明，本发明提供的可重构天线在北斗二代导航系统的三个频带内均拥有很好的宽带、方向图、增益和圆极化辐射特性。

附图说明：

图1是本发明的天线结构示意图；

图2是本发明的天线的上部结构示意图；

图3是本发明的天线的下部结构示意图；

图4是本发明的天线可重构原理示意图，图中，A-B1频段，B-B2频段，C-B3频段；

图5是本发明的天线馈电网络；

图6是天线具体结构及参数示意图；

图7是天线上部结构具体结构及参数示意图；

图8是天线下部结构具体结构及参数示意图

图9是天线B1状态驻波比实测仿真对比；

图10是天线B2状态驻波比实测仿真对比；

图11是天线B3状态驻波比实测仿真对比；

图12天线仿真实测最大方向增益和轴比和频率关系图；

图13天线B2状态1.2GHz xz面轴比方向图仿真实测对比；

图14天线B2状态1.2GHz yz面轴比方向图仿真实测对比；

图15是天线B3状态1.268GHz xz面实测归一化方向图；

图16是天线B3状态1.268GHz yz面实测归一化方向图；

图17是天线B1状态1.575GHz yz面实测归一化方向图；

图18是天线B1状态1.575GHz yz面实测归一化方向图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

天线整体示意图如图1所示，天线整体上呈圆柱体，由上半部分01和下半部分02组成，下半部分02为固定部分，上半部分01为可旋转部分，上半部分01和下半部分02完全断开。由于导航天线需要天线有圆极化辐射的特性，所以在天线的下半部分02中，最底部的是由宽带移相器组成的馈电网络03。馈电网络的设计如图5所示，包括1端口031、2端口032和3端口033。为了实现小型化以及宽带化特性，采用双馈圆极化配置，宽带移相器在包含了北斗三个频段的很宽的频段内将能量从1端口031输入之后等分为二并实现2端口032和3端口03390°相位差输出，之后通过L型馈电探针04向上通过耦合馈电给金属贴片05。由图2和图3可以看出，天线下半部分02有一组两个馈电配置09，而上半部分01有三组L型馈电探针04配置，标记为配置1041、配置2042和配置3043。在图1所示的状态中，只有配置1041和下半部分02的两个馈电配置09相连接并起作用，另外两组配置并不和下半部分馈电配置导通且并不起作用。

与此相对应的，在天线上半部分01中，有一组共四个完全相同的短路金属带06，通过周围的四个短路金属柱A07通向天线下半部分02；而在下半部分02，共有三组每组四个短路金属柱B08短路到地板，这三组标记为配置I081、配置II082、配置III083。在图1所示的状态中，只有配置I081实现了上下短路结构的导通，也就是说上半部分四个短路金属柱A07和下半部分的配置I081短路结构相连接并短路到地板，其他两组配置II082和配置III083在图1这种状态下并连通从而不起作用。

天线具体的频率可重构实现原理如4所示：图4中的B所示是天线的起始状态（和图1状态相同），此时天线下半部分02通过配置I081进行短路，上半部分01通过配置1041馈电，此时线通过参数调整在北斗导航B3频段谐振，天线作用频段为1258MHz——1278MHz，此状态标记为B3状态。之后将天线上半部分逆时针旋转120度（如图4中的A所示），下半部分固定不动，天线上半部分01的短路结构就和下半部分02的配置III083相连接并起短路作用；相对应的下半部分02的两个馈电配置09就和上半部分的配置3043相连接并起馈电作用。这时，利用短路配置I081和配置III083结构上的不同（增加短路结构有效长度），就可以将天线的谐振频率降低到北斗B2频段（1192MHz——1215MHz），此状态标记为B2状态；再利用上半部分L型馈电探针配置1041和配置3043的结构不同，可以使天线在B2频段谐振状态下实现阻抗匹配。同样的过程，将天线从B3状态顺时针旋转120度（如图4中的C）所示，就可以将天线的谐振频率从B3频段上移至北斗导航B1频段（1559MHz——1591MHz），此状态标记为B1状态。

需要说明的是，所谓的B1状态下的短路配置（配置II）实际上并没有任何金属结构，也就说是在B1状态下，天线短路结构通过上半部分01以后并没有连接到下半部分02的地板，从而没有实现短路加载，这样可使天线的谐振频率大幅上升从而使天线谐振在频率相对较高的B1频段。

以上就是本发明所提出的北斗三频可重构天线的实现原理，天线的具体结构如图6-8所示，可以看出，为了能使配置I081（B3状态）和配置III083（B2状态）在结构有足够的差别，从而实现足够的频率差，并使其频率差方便调整，本发明为配置III083设置为折叠式的短路结构，有效地利用了印刷电路板金属化过孔技术，使其有效短路金属结构长度合理地增加，而配置I081没有使用任何特殊的结构（金属铜柱直接短路到地板）。这样使天线B2状态和B3状态谐振频率有效的区分开来。而在上半部分01，短路金属带07中添加了一个和图1金属带垂直的金属带结构，形成了一个十字型的短路金属带10，这样可以造成天线的B1状态和B2、B3状态更大的频率差，以实现B1状态谐振频率的调整。与此同时，为了使天线上下部分中断开的金属结构能接触良好，在断开点均设置了金属盘防止出现旋转后接触不良的现象。除此之外为方便旋转，天线中间还设置了一个圆孔用来放置旋转轴11。

本发明的频率可重构三频天线如图1-8所示，具体数值如下：

参数	rg	h1	h2	h3	h4	h5	r1
								数值(mm)	30	4	1	6	2	2	1
参数	rf	W1	W2	W3	W4	Wf	L1
								数值(mm)	1	3	1.5	2	1.5	1	16.4
参数	L2	L3	L4	Lf(B1)	Lf(B2)	Lf(B3)
								数值(mm)	12.2	10	11.2	8	9	9

天线采用印刷电路板的方法制造，一共7层介质板叠加，上层部分（图6中高度为h1的部分）由两层厚度分别为1mm和3mm的介电常数2.65的F4b介质板组成，下半部分由一张厚度为2mm的介电常数2.65的F4b(图6中h5部分)、两张厚度2mm的介电常数4.4的微波复合材料（图6中h3部分）、两张厚度为1mm的介电常数4.4的微波复合材料（带线馈电网络，图6中h4部分）组成。金属短路圆柱（图6中r1）。馈电L探针(图6中rf)采用直径1mm铜柱。上半部分下半部分金属断开处均有圆形金属盘设计以防止接触不良。

天线仿真使用的是Ansoft HFSS13仿真软件有限元算法，天线实测使用的是矢量网络分析仪和微波暗室中的天线近场测试系统。测量结果如附图中9-18所示。天线的实测和仿真驻波比对比如图9-11所示，实测和仿真增益圆极化轴比对比如图12所示，天线实测仿真归一化方向图如图15-18所示。

本说明未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：采用短路加载微带天线的形式，所述天线为一由上半部分和下半部分组成的圆柱体；所述上半部分和所述下半部分完全断开；

所述下半部分为固定部分，设置有馈电网络和短路金属柱B；下半部分最底部设置有由宽带移相器组成的馈电网络，所述馈电网路采用双馈圆极化配置，设置有两个馈电配置，所述馈电网络包括端口1、端口2和端口3；短路金属柱B分为三组短路到地板，分别记为配置I、II、III，配置I、II、III均包括四个短路金属柱B。

2.根据权利要求1所述的一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：所述配置III为折叠式的短路结构，利用印刷电路板金属化过孔技术，使其有效短路金属结构长度合理地增加，而配置I的金属铜柱直接短路到地板。

3.根据权利要求1所述的一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：所述上半部分的短路金属带中设置一个和与金属带垂直的金属结构，形成了一个十字型的短路金属带。

4.根据权利要求1所述的一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：所述断开点均设置了金属盘，防止出现旋转后接触不良的现象。

5.根据权利要求1所述的一种小型化三阶频率可重构北斗导航天线，其特征在于：所述天线中间还设置了一个圆孔用来放置旋转轴。