CN103840269A

CN103840269A - 宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线

Info

Publication number: CN103840269A
Application number: CN201310738702.5A
Authority: CN
Inventors: 孙超; 郑会利; 栗曦; 丁昱智
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2014-06-04

Abstract

本发明公开了一种宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，包括微带天线馈电网络、位于微带天线馈电网络上方的贴片层，在微带天线馈电网络和贴片层之间设置有短路结构。所述馈电网络采用上下两层印刷版的带线的形式，使用三个传统威尔金森功分器加四分之一波长带状线实现四个等幅90度相差输出。本发明的有益效果在于：（1）使用新型的小型化技术降低了GNSS天线整体尺寸，只有70mm*70mm*25mm,，使其适合阵列使用；（2）使用空气介质减轻了GNSS天线的重量，增加了天线的辐射效率；（3）本发明的GNSS天线拥有很好的宽带和宽角轴比特性。

Description

宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线

技术领域：

本发明属于卫星导航领域，涉及一种多模卫星导航天线，尤其是一种宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线。

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，比如美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，均已广泛应用。欧洲的Galileo和中国的北斗Compass也已开通服务，未来的卫星导航系统为了解决单一系统覆盖盲区的问题，将会采用多种卫星导航体质兼容的模式。采用这种模式的系统被称为全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）。天线作为卫星导航系统至关重要的组成部分，其直接对导航系统的性能起着决定性作用。因此，宽带多模导航天线(GNSS天线)成为了研究热点。与此同时，卫星导航也存在着致命弱点——易受干扰，所以近些年导航自适应阵列天线因其抗干扰能力也得到了很大的关注，导航自适应阵列天线采用阵列天线的形式，并通过自适应抗干扰算法控制天线阵列权值，使其方向图在干扰来向产生零陷，以此加强导航接收信号信噪比，达到抗干扰效果。但是在实际工程当中得到的结果和MATLAB仿真结果有较大差别，这主要是因为两天原因，1、在自适应抗干扰算法MATLAB仿真中，天线阵列单元被假设为理想全向点源，阵列单元大小被忽略，实际的天线单元总有一定的体积，它们并不能被假设成理想点源。2、天线单元之间存在较大互耦使得方向图和天线端口出现误差。因此在目前技术水平下，减小单元尺寸变成了一种有效的解决方法，这种设计可以大大减小天线阵列的设计难度，使天线单元更接近理想点源，并减小天线单元间的互耦，使实际工程当中自适应阵列发挥其应有的抗干扰性能。因此本专利旨在设计一种小型化的全频带卫星导航（GNSS）天线单元。

目前在所发表的文献中GNSS天线多使用的是多馈圆极化微带天线的形式，多馈圆极化天线指的是采用移相器或者功分器作为馈电网络，使得能量由一个端口输入经过馈电网络后变成四个等幅90度相差的输出，从而实现圆极化电磁波辐射。采用这种形式主要有两点原因，首先，多馈形式的圆极化天线相比单馈圆极化天线能获得和阻抗带宽相当的较大的圆极化轴比带宽；其次，微带天线虽然阻抗带宽较窄，但是非常容易实现小型化，并且通过增加天线高度的方法可以对带宽进行补偿。虽然相比其他形式的GNSS天线（交叉对称阵子、四臂螺旋天线）多馈圆极化微带天线尺寸已经有所减小，但是相对于阵列的使用尺寸依然偏大，例如文献[1、Z.B.Wang,S.J.Fang,"Dual-BandProbe-FedStackedPatch AntennaforGNSSApplications,"IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.8,pp.100–103,2009.]中提出的多馈圆极化微带GNSS天线，尺寸达到了100mm*100mm，文献[2、X.Li,L.Yang,"NovelDesignofBroadbandStrip LinesFedPatchAntennaforGNSSApplication,"MicrowaveOptTechnolLett55(2013),2062–2066.]提出了一种小型化的GNSS天线，天线尺寸减小到了80mm*80mm，但是此天线为了获得足够的带宽和小型化，采用了非常厚（30mm）的fr4材料作为介质基片，这使得天线高度过高重量过大，除此之外非常高的天线总高度还导致了严重的表面波，这会加剧天线阵列之间的互耦从而影响自适应阵列天线的性能。所以综上所述，目前现有的以单一使用为目的的GNSS天线均不能满足阵列使用的要求。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有GNSS天线存在的尺寸过大、介质过厚、重量过重、不能使用于阵列等问题，提供一种新型宽带耦合短路墙加载小型化方法并将此方法应用于GNSS天线，提出了一种尺寸更小、重量轻，成本低，低剖面、并且各项技术指标（带宽、轴比带宽、宽角轴比）均满足要求的目前为止尺寸最小的GNSS天线。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，包括微带天线馈电网络、位于微带天线馈电网络上方的贴片层，在微带天线馈电网络和贴片层之间设置有短路结构。

所述馈电网络采用上下两层印刷版的带线的形式，使用三个传统威尔金森功分器加四分之一波长带状线实现四个等幅90度相差输出。

所述馈电网络包括四个输出端口，四个输出端口通过L探针对上半部分的贴片进行耦合馈电，四个L探针的垂直部分使用直径1.2mm的金属铜柱，水平金属部分印刷在上层介质板的背面，贴片印刷在上层介质板正面。

所述短路结构分成水平部分和垂直部分，水平部分包括四个长方形金属短路带，垂直部分包括四个金属短路墙，贴片通过四个短路带耦合到中间部分的四个垂直摆放的金属短路墙上，短路墙短路到天线下半部分的地板。

本发明的有益效果在于：

（1）使用新型的小型化技术降低了GNSS天线整体尺寸，只有70mm*70mm*25mm,，使其适合阵列使用

（2）使用空气介质减轻了GNSS天线的重量，增加了天线的辐射效率

（3）仿真和实测数据证明，本专利设计的GNSS天线拥有很好的宽带和宽角轴比特性，天线仿真使用的是AnsoftHFSS13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。测量结果如附图中所示。天线的实测和仿真驻波比对比如图6所示，实测和仿真增益圆极化轴比对比如图7所示，天线仿真辐射效率如图8所示，天线仿真和实测轴比方向图对比如图9（a）（b）所示，天线实测归一化方向图如图10（a）（b）所示。

附图说明：

图1为本发明的带线馈电网络结构示意图；

图2为本发明的天线俯视图；

图3为本发明的天线侧视图；

图4为短路带长度L2和天线输入阻抗实部关系图。

图5为天线输入阻抗和耦合缝隙长度L3关系图；

图6为天线驻波比仿真实测对比；

图7为天线仿真实测增益和轴比带宽对比图；

图8为天线辐射效率仿真结果图；

图9（a）为天线xz面轴比方向图仿真实测对比图；

图9（b）天线yz面轴比方向图仿真实测对比图；

图10（a）天线xz面实测归一化方向图；

图10（b）天线yz面实测归一化方向图；

其中：1为端口一；2为端口二；3为端口三；4为端口四；5为端口五；6为威尔金森功分器；7为上半部分；8为短路墙；9为短路金属带；10为耦合缝隙；11为L探针；12为贴片；13为空气介质；14为带线馈电网络；15为下半部分。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-10，本专利的整体技术方案思路如下：如果将文献[2]中多馈圆极化微带GNSS天线中30mm厚的FR4介质板去掉换成20mm厚的空气介质以减轻天线重量和高度，这样做的后果就是天线的小型化难以实现，于是本专利发明了一种宽带耦合短路加载小型化技术并将此技术应用于GNSS天线，使GNSS天线的体积进一步缩小，于此同时宽带的耦合短路加载墙技术使得天线在天线体积缩小高度减小的情况下保持带宽满足GNSS的使用要求。

本天线的具体方案如下：天线的整体结构如图2图3所示，天线分上下两个部分。天线下半部分为微带天线馈电网络，如图1所示，馈电网络采用上下两层印刷版的带线的形式，能量从端口一输入，使用三个传统威尔金森功分器加四分之一波长带状线实现四个等幅90度相差输出(端口二345)，从而实现天线圆极化辐射。相比其他文献中采用的移相器设计[1]，本专利的仅仅使用的传统威尔金森功分器加四分之一波长带状线的结构能节省更多的空间，虽然带宽不及宽带移相器，但是已经能达到GNSS的使用要求。天线上半部分为贴片部分，如图2所示，天线下部分馈电网络四个输出端口通过L探针对上半部分的贴片进行耦合馈电，四个L探针的垂直部分使用直径1.2mm的金属铜柱，水平金属部分印刷在上层介质板（1mm厚介电常数为2.65的F4b）的背面，贴片印刷在上层介质板正面。天线的短路结构分成两个部分，水平部分的四个长方形金属短路带和垂直部分的四个金属短路墙（如图2所示），贴片通过四个短路带耦合到中间部分的四个垂直摆放的金属短路墙上，短路墙短路到天线下半部分的地板。

短路加载技术可以使天线的谐振频率大大减小从而达到天线小型化的目的，但是传统的微带天线短路加载技术是通过在贴片和地板直接直接用金属柱或者金属墙连接以实现短路，这样可以使微带天线的谐振频率大大降低，但与此同时这种短路加载技术以大大牺牲微带天线带宽为代价的，而GNSS天线又是一种宽带天线，所以之前并没有把短路加载技术应用于GNSS天线的小型化当中的先例。

对微带天线进行短路加载相当于相当于在贴片和地板之间加载了一个电感元件L，若将天线假设成一个谐振电路，根据电路理论加载一个电感会使整个谐振回路的品质因数Q增大，品质因数和带宽成反比，从而使得天线带宽减小。针对这个问题本专利发明了一种LC串联加载的方法，微带天线贴片和地板直接并不是直接连接而是通过图2中的缝隙耦合短路，这个缝隙就相当于在原先的L加载中加了一个电容C从而变成LC串联电路加载。根据电路理论电路电路Q值会随着电路中电容C的增大而减小，于是通过这样耦合短路从而减小电路Q值，从而达到增大带宽的目的，并且增大电容C可以同样使得谐振频率减小，但是带宽并没有随之减小。

本专利使用有限元全波仿真软件AnsoftHFSS13对天线进行了仿真，并对重要参数进行了研究，天线输入阻抗实部（可以通过输入阻抗实部看出天线谐振频率）和短路带宽度L2的关系如图4所示，通短路带长度L3的关系如图5所示。对比两幅图可以明显看出，通过增加短路带的长度L3（相当于增加短路加载电感L），天线谐振频率减小的同时带宽也在减小，但是通过增加短路带宽度，也就等同于增加缝隙长度L2（增加短路加载电容C），天线谐振频率减小的同时带宽并不会发生明显变化。这样上述理论得到了验证，这种耦合宽带短路加载技术也得到了验证。

本发明的GNSS宽带导航天线具体尺寸标注如图2图3所示，具体数值如下：

参数	G	L	h	h1	h2	fx	Lf
								数值(mm)	70	45	25	4	1	26	6.4
参数	Wf	rf	L1	L2	L3	L4	L5
								数值(mm)	4	1.2	10	8	12.2	1	3.5
参数	L6	W1	W2
								数值(mm)	17	2	1

天线的加工以印刷电路板形式完成，一共分三层，下面两层印刷版压合在一起组成了带线结构的馈电网络，短路墙使用的是1mm厚铜片，馈电L探针中垂直部分使用的是铜柱。本发明的关键点点在于：

（1）将短路加载技术应用于GNSS宽带微带天线

（2）使用新型的耦合型短路墙技术使得天线带宽得以增加

（3）使用上下两层印制板结构，两部分之间的空气使得天线重量大幅减小辐射效率增加

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，其特征在于：包括微带天线馈电网络、位于微带天线馈电网络上方的贴片层，在微带天线馈电网络和贴片层之间设置有短路结构。

2.如权利要求1所述宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，其特征在于：所述馈电网络采用上下两层印刷版的带线的形式，使用三个传统威尔金森功分器加四分之一波长带状线实现四个等幅90度相差输出。

3.如权利要求2所述宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，其特征在于：所述馈电网络包括四个输出端口，四个输出端口通过L探针对上半部分的贴片进行耦合馈电，四个L探针的垂直部分使用直径1.2mm的金属铜柱，水平金属部分印刷在上层介质板的背面，贴片印刷在上层介质板正面。

4.如权利要求1所述宽频带、小型化、宽波束多模卫星导航天线，其特征在于：所述短路结构分成水平部分和垂直部分，水平部分包括四个长方形金属短路带，垂直部分包括四个金属短路墙，贴片通过四个短路带耦合到中间部分的四个垂直摆放的金属短路墙上，短路墙短路到天线下半部分的地板。