CN103887598B - 一种卫星导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星导航天线，包括2对偶极子、2个馈电探针、1个3ｄｂ电桥和2个反射板。其中一对偶极子关于一条直线对称，位于第一平面上，另一对偶极子也关于该直线对称，位于第二平面上，第一平面和第二平面相互垂直，因此在俯视该天线时，2对偶极子呈“十”字排列。而2个馈电探针位于2对偶极子的中间，也就是位于“十”字的中心处。其中，由于每个偶极子包括三个部分，第二部分与第三部分呈145°角，而第一部分为磁偶极子，第二部分和第三部分为电偶极子，因此实现了电偶极子和磁偶极子的结合，并且通过特定的馈电探针激励这种结合后的偶极子，展宽了导航天线的带宽和波束，同时方向图在工作频段内保持良好的稳定性和单向性。

Description

一种卫星导航天线

技术领域

本发明涉及卫星导航系统领域，尤其是涉及一种卫星导航天线。

背景技术

现如今，卫星导航系统发展如火如荼，目前已经运营和在建的卫星导航系统有美国的GPS(global position system，全球定位系统)，中国的“北斗”二代系统，欧洲的Galileo(伽利略)系统和俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)系统等等。

其中，作为卫星导航系统中的最前端部件，卫星导航天线的性能好坏直接影响着整个系统的通信质量。然而，发明人经研究发现，传统的微带贴片天线和偶极子天线不仅带宽较小，而且不能同时保证良好的稳定性和单向性。

发明内容

本发明解决的技术问题在于提供一种卫星导航天线，以实现扩展天线的带宽，并且同时保证良好的稳定性和单向性。

为此，本发明解决技术问题的技术方案是：

本发明提供了一种卫星导航天线，包括：2对偶极子、2个馈电探针、3db电桥、第一反射板和第二反射板；每对偶极子包括2个偶极子；

任一个所述偶极子包括三个部分：第一部分、第二部分和第三部分；其中，第一部分为磁偶极子，第二部分和第三部分为电偶极子；第一部分的第一端连接第二部分的第一端，并且第一部分与第二部分相互垂直，第二部分的第二端连接第三部分的第一端，并且第二部分与第三部分呈145°夹角，第一部分和第三部分位于第二部分的同一侧；各个所述偶极子包括金属材质；

所述2对偶极子中的一对偶极子关于直线对称，并且位于第一平面上；所述2对偶极子中的另一对偶极子关于所述直线对称，并且位于第二平面上；各个所述偶极子的第一部分相比于第二部分和第三部分，更靠近所述直线；所述第一平面和所述第二平面相互垂直；

任一个所述馈电探针包括三个部分：第四部分、第五部分和第六部分；其中，第四部分的第一端连接第五部分的第一端，并且第四部分和第五部分相互垂直，第五部分的第二端连接第六部分的第一端，并且第五部分和第六部分相互垂直；第四部分长于第六部分；各个所述馈电探针包括金属材质；

各个所述馈电探针的第五部分高低错开并且相互垂直，各个所述馈电探针的第四部分相互平行，并且各个所述馈电探针的第四部分位于第五部分的同一侧；

所述2个馈电探针设置于所述2对偶极子中间；各个所述偶极子的第一部分与各个所述馈电探针的第四部分相互平行；

所述3db电桥包括第一输出端和第二输出端；其中，第一输出端连接1个所述馈电探针的第一部分的第二端；第二输出端连接另一个所述馈电探针的第一部分的第二端；所述第一输出端和所述第二输出端分别输出两路功率相等，相位相差90°的电信号；

所述3db电桥设置于所述第一反射板和第二反射板之间；所述3db电桥的第一输出端和第二输出端通过同轴电缆穿过所述第一反射板，与所述馈电探针相连；各个所述偶极子的第一部分的第二端设置于所述第一反射板上；所述第一反射板和所述第二反射板均与各个所述偶极子的第一部分相互垂直。

优选地，还包括扼流圈；

所述扼流圈包括多个同轴的环形侧壁。

优选地，相邻的所述环形侧壁的间距不等。

优选地，远离轴心的环形侧壁相比于靠近轴心的环形侧壁，环形侧壁的高度更小。

优选地，所述扼流圈包括4个同轴的环形侧壁；其中，远离轴心的两个环形侧壁相比于靠近轴心的两个环形侧壁，环形侧壁的高度更小。

优选地，各个所述环形侧壁的高度大于接收信号的1/4波长。

优选地，所述3db电桥为腔体空气带状线结构；

所述3db电桥的耦合段和输出端分别作为所述第一输出端和所述第二输出端；

所述3db电桥的输入端连接信号接收系统。

优选地，所述输入端连接射频连接器，通过所述射频连接器连接同轴电缆，该同轴电缆穿过所述第二反射板后与所述信号接收系统相连。

优选地，任一个偶极子的第三部分在第二部分上的投影的长度为所述天线工作的中心波长的1/4。

优选地，所述天线工作于1.1GHz-1.7GHz的频段。

通过上述技术方案可知，本发明的导航天线采用的是包括2对偶极子、2个馈电探针、1个3db电桥和2个反射板的具体结构。其中，一对偶极子关于一条直线对称，位于第一平面上，另外一对偶极子也关于该直线对称，位于第二平面上，第一平面和第二平面相互垂直，因此在俯视本发明的天线时，2对偶极子呈“十”字排列。而2个馈电探针位于2对偶极子的中间，也就是位于“十”字的中心处。其中，由于每个偶极子包括三个部分，并且第一部分的第一端连接第二部分的第一端，第二部分的第一端连接第三部分的第一端，而第一部分与第二部分相互垂直，第二部分与第三部分呈145°角，而第一部分为磁偶极子，第二部分和第三部分为电偶极子，可见本发明实现了电偶极子和磁偶极子的结合，并且通过本发明特定的馈电探针激励这种结合后的偶极子，相比于传统的微带贴片天线和偶极子天线的单一偶极子的结构，展宽了导航天线的带宽和波束。同时使得天线的E面和H面的方向图基本相同，且方向图在工作频段内保持良好的稳定性和单向性。

此外，本发明的导航天线还具有以下优点：

1、偶极子的第二部分与第三部分呈145°角，能够有效的展宽天线的辐射范围。

2、本发明的导航天线中，偶极子和馈电探针均包括金属材质，可见本发明的导航天线相比于印制在PCB板上的偶极子天线，是一种立体的结构，从而具有更好的机械特性和温度特性。

3、馈电探针包括三部分，其中第一部分和第二部分垂直，第二部分和第三部分垂直，可见，第一部分呈现感性，第三部分呈现容性，因此在调节天线阻抗匹配过程中，由于不同的部分分别控制感性和容性，因此很容易对导航天线进行调节以实现阻抗匹配，从而获得宽频带。

4、由于3db电桥的两个输出端分别输出两路功率相等，相位相差90°的电信号，而每路电信号分别输出至一个馈电探针的一端，而2个馈电探针的第五部分高低错开并且相互垂直，因此实际上是由3db电桥通过馈电探针向偶极子进行馈电，并且使得偶极子产生圆极化辐射，用于接收传输过来的信号。显然本发明的馈电方式为非接触式的，也就是说馈电探针无需与偶极子接触。因此相比于传统的接触式的馈电方式，能够增加馈电探针的电感，从而增加天线的接收带宽。

5、本发明的导航天线呈对称性结构设计，因此具有良好的交叉极化和前后比指标。

附图说明

图1为本发明提供的导航天线的具体实施例的侧面剖视图；

图2为本发明提供的导航天线的具体实施例的俯视图；

图3本发明提供的偶极子的结构示意图；

图4为本发明提供的偶极子和馈电探针的侧面剖视图；

图5为本发明提供的馈电探针的结构示意图；

图6为本发明提供的带有扼流圈的导航天线的侧面剖视图；

图7为本发明提供的扼流圈的俯视图；

图8为本发明提供的一种3db电桥的俯视图；

图9为图8所示的3db电桥的侧面剖视图；

图10为图8所示的3dB电桥的输入端回波损耗S11，输出端和耦合端的隔离度S23；

图11为图8所示的3dB电桥的输出端的插入损耗S21，耦合端的插入损耗S31；

图12为图8所示的3dB电桥的输出端的相位S12和耦合端的相位S22；

图13为本发明提供的导航天线的回波损耗曲线；

图14为本发明提供的导航天线的增益曲线；

图15为本发明提供的导航天线的轴比曲线。

具体实施方式

请参阅图1和图2，本发明提供了卫星导航天线的具体实施例，本实施例具体包括：2个馈电探针、2对偶极子、3db电桥31、第一反射板41和第二反射板51。其中，2个馈电探针分别为馈电探针11和馈电探针12。其中，每对偶极子包括2个偶极子，2对偶极子分别为偶极子21、偶极子22、偶极子23和偶极子24。偶极子21和偶极子22是一对，偶极子23和偶极子24是另外一对。

如图3所示，本实施例的任一个偶极子包括三个部分：第一部分201、第二部分202和第三部分203；其中，第一部分201的第一端连接第二部分202的第一端，并且第一部分201与第二部分202相互垂直，第二部分202的第二端连接第三部分203的第一端，并且第二部分202与第三部分203呈145°夹角(图3中角1)。第一部分201和第三部分203位于第二部分202的同一侧，例如在图3中，第一部分201和第三部分203均位于第二部分202的下侧。

在本发明实施例中，各个偶极子均包括金属材质，从而具有更好的机械特性和温度特性，并且在较宽的频带内具有良好的阻抗特性和辐射特性。

在本发明实施例中，任一个偶极子的第一部分201为磁偶极子，第二部分202和第三部分203可以为电偶极子。可见，这种结合电偶极子和磁偶极子的方式展宽了天线的带宽和波束的宽度，同时使得天线的E面和H面的方向图基本相同，且方向图在工作频段内保持良好的稳定性和单向性。其中，第三部分的高度，即第三部分在第二部分上的投影的长度可以为天线工作的中心波长的1/4。

图2为本实施例的2对偶极子的俯视图。如图2所示，本实施例中的2对偶极子中的一对偶极子(偶极子21和偶极子22)关于直线对称，并且偶极子21和偶极子22位于第一平面上；所述2对偶极子中的另一对偶极子(偶极子23和偶极子24)也关于所述直线对称，并且偶极子23和偶极子24位于第二平面上；所述直线垂直于图2的纸面方向。其中，第一平面和第二平面相互垂直。因此，俯视本实施例的天线时，2对偶极子呈“十”字排列。需要说明的是，本发明实施例中所说的对称，并不是严格的对称，允许有一定的误差范围。

图4为对称的一对偶极子(例如偶极子21和偶极子22)的侧面剖视图。从图4中可以看出，偶极子21和偶极子22关于直线A对称，并且，对于偶极子21来说，第一部分相比于第二部分和第三部分更靠近直线A。并且，对于偶极子22、偶极子23和偶极子24来说，也都满足：第一部分相比于第二部分和第三部分更靠近直线A。因此，各个偶极子的第一部分与直线A平行，各个偶极子的第二部分与直线A垂直。

如图5所示，本实施例的任一个馈电探针包括三个部分：第四部分301、第五部分302和第六部分303；其中，第四部分301的第一端连接第五部分302的第一端，并且第四部分301和第五部分302相互垂直，第五部分302的第二端连接第六部分303的第一端，并且第五部分302和第六部分303相互垂直；其中，第四部分301长于第六部分303。并且对于任一个馈电探针来说，由于第四部分301、第六部分303都和第五部分302垂直，因此第四部分301和第六部分303相互平行。在本发明实施例中，馈电探针包括金属材质，当然金属材质的外部可以包裹有绝缘材质。对于任一个偶极子所包括的三部分，第四部分301可以相当于50欧姆的空气微带线，而第五部分302能够将能量耦合到偶极子，等同于一个电感器，会引起天线失配，对天线的输入阻抗有重要的影响，可以调节该部分长度来调节天线的输入阻抗，第六部分303相当于一个开路传输线，等效于一个电容器，通过选择合适的长度可以抵消第五部分引起的电感，从而能在较宽的频带范围内表现出良好的阻抗特性。

如图2和4所示，各个馈电探针的第五部分高低错开并且相互垂直，各个馈电探针的第四部分相互平行，并且各个所述馈电探针的第四部分位于第五部分的同一侧，例如图4所示，馈电探针11的第四部分位于馈电探针11的第五部分的下侧，而馈电探针12的第四部分也位于馈电探针12的第五部分的下侧。

如图2所示，2个馈电探针设置于2对偶极子的中间，在俯视天线时是“十”字型的偶极子的中心处；各个所述偶极子的第一部分与各个所述馈电探针的第四部分相互平行。

如图1所示，3db电桥31包括第一输出端和第二输出端；其中，第一输出端连接1个馈电探针(例如馈电探针11)的第一部分的第二端(即第一部分上不与第二部分连接的一端)；第二输出端连接另一个馈电探针(例如馈电探针12)的第一部分的第二端。第一输出端和第二输出端分别输出两路功率相等，相位相差90°的电信号。可见，本发明实施例的3db电桥连接2个馈电探针，实际上是用于通过2个馈电探针向2对偶极子馈电。又由于3db电桥输出相位相差90°的电信号，因此使得偶极子产生圆极化的辐射。

并且，3db电桥31设置于第一反射板41和第二反射板51之间；3db电桥31的第一输出端和第二输出端通过同轴电缆穿过第一反射板41，与馈电探针相连；各个偶极子的第一部分的第二端设置于第一反射板41上；第一反射板41和第二反射板51均与各个偶极子的第一部分相互垂直。因此，第反射板41与第二反射板51平行。采用双层反射板除了能够放置3dB电桥外，对展宽天线波束也具有一定的贡献。

通过上述技术方案可知，本实施例的导航天线采用的是包括2对偶极子、2个馈电探针、1个3db电桥和2个反射板的具体结构。其中，一对偶极子关于一条直线对称，位于第一平面上，另外一对偶极子也关于该直线对称，位于第二平面上，第一平面和第二平面相互垂直，因此在俯视本实施例的天线时，2对偶极子呈“十”字排列。而2个馈电探针位于2对偶极子的中间，也就是位于“十”字的中心处。其中，由于每个偶极子包括三个部分，并且第一部分的第一端连接第二部分的第一端，第二部分的第一端连接第三部分的第一端，而第一部分与第二部分相互垂直，第二部分与第三部分呈145°角，而第一部分为磁偶极子，第二部分和第三部分为电偶极子，可见本实施例实现了电偶极子和磁偶极子的结合，并且通过本实施例特定的馈电探针激励这种结合后的偶极子，相比于传统的微带贴片天线和偶极子天线的单一偶极子的结构，展宽了导航天线的带宽和波束。同时使得天线的E面和H面的方向图基本相同，且方向图在工作频段内保持良好的稳定性和单向性。

此外，本实施例的导航天线还具有以下优点：

1、偶极子的第二部分与第三部分呈145°角，能够有效的展宽天线的辐射范围。

2、本实施例的导航天线中，偶极子和馈电探针均包括金属材质，可见本发明的导航天线相比于印制在PCB板上的偶极子天线，是一种立体的结构，从而具有更好的机械特性和温度特性。

3、馈电探针包括三部分，其中第一部分和第二部分垂直，第二部分和第三部分垂直，可见，第一部分呈现感性，第三部分呈现容性，因此在调节天线阻抗匹配过程中，由于由不同的部分分别控制感性和容性，因此很容易对导航天线进行调节以实现阻抗匹配，从而获得宽频带。

4、由于3db电桥的两个输出端分别输出两路功率相等，相位相差90°的电信号，而每路电信号分别输出至一个馈电探针的一端，而2个馈电探针的第五部分高低错开并且相互垂直，因此实际上是由3db电桥通过馈电探针向偶极子进行馈电，并且使得偶极子产生圆极化辐射，用于接收传输过来的信号。显然本实施例的馈电方式为非接触式的，也就是说馈电探针无需与偶极子接触。因此相比于传统的接触式的馈电方式，能够增加馈电探针的电感，从而增加天线的接收带宽。

5、本发明的导航天线呈对称性结构设计，因此具有良好的交叉极化和前后比指标。

本发明实施例提供的卫星导航天线，可以工作于1.1GHz-1.7GHz的频段，并且其频段能够覆盖北斗一代、二代、Galileo、GLONASS和GPS卫星导航系统的频段范围。

抑制多径干扰能力是卫星导航天线一项重要的特性，能够提高测量定位的精准度。因此为了提高抑制多径干扰的能力，如图6所示，本实施例的天线还可以进一步包括扼流圈61。

如图6和7所示，扼流圈61包括多个同轴的环形侧壁。每个环形侧壁的高度均大于天线的接收信号的1/4波长时，扼流圈61能够有效的抑制表面电波，并能阻止地平线以下的信号被天线接收到。环形侧壁的高度指的是环形侧壁的宽度，例如图6中的最里侧的环形侧壁，高度为h。

本实施例中，扼流圈61中相邻的环形侧壁之间的间距可以不等，从而形成不等间距的环状扼流槽，不仅能够有效地抑制多径干扰，而且也不会对天线的相位特性产生影响。而具体设置的间距距离，可以根据实验结果进行设定。

并且，本实施例中，扼流圈61中远离轴心的环形侧壁相比于靠近轴心的环形侧壁，环形侧壁的高度可以更小。此时扼流圈61对高仰角的直射信号没有影响，但是对来自天线平面下方的低仰角反射信号有很好的抑制作用。例如图6和图7所示，扼流圈包括4个同轴的环形侧壁；其中，远离轴心的两个环形侧壁相比于靠近轴心的两个环形侧壁，环形侧壁的高度更小。

在本实施例中，为了实现低轴比和天线相位中心稳定等特性，可以选用输出相位差比较稳定的3db电桥。传统的混合环和一分二功分器均不能达到相位差稳定的要求，因此本发明实施例中可以采用腔体空气带状线结构的3db电桥满足上述要求。此时腔体空气带状线结构的3db电桥的耦合端和输出端分别作为所述第一输出端和所述第二输出端，3db电桥的输入端连接信号接收系统，作为天线的接收信号输出端。

下面具体介绍一种腔体空气带状线结构的3db电桥。

如图8和图9所示，本实施例的3db电桥31可以包括2个金属耦合棒301、4个介质棒302和铝制空气腔303。其中介质棒302可以采用聚四氟乙烯材质。3db电桥的输出端B和耦合端C分别输出功率相等，相位差90°的电信号。并且，耦合端C输出的信号的传输方向与3db电桥的输入信号的传输方向相反。3db电桥的隔离端可以外接一个50欧姆的匹配电阻。如图10至图12所示，经实验证明，如图8所示的腔体空气带状线结构的3db电桥，在接收频率为1.1GHZ到1.7GHz的频率范围内，3dB电桥的输入端回波损耗小于-25dB，插入损耗为-3dB，输出端和耦合端的隔离度小于-25dB，且耦合端和输出端的相位差为90°，误差不超过±2°。完全符合相位差稳定等要求。

当3db电桥具体为图8所示的结构时，3db电桥的输出端B通过同轴电缆穿过第一反射板41连接馈电探针11的第一部分的第二端，3db电桥的耦合端C通过同轴电缆穿过第一反射板41连接馈电探针12的第一部分的第二端，3db电桥的输入端D连接射频连接器，再通过射频连接同轴电缆，同轴电缆穿过第二反射板51后与信号接收系统相连，例如具体可以与SMA连接器相连，而SMA连接器连接放大器等信号接收系统。

如图1所示，本实施例的天线还可以包括天线罩71。其中，2个馈电探针、2对偶极子、2个反射板和3db电桥均设置于天线罩71的内部。

本实施例的天线可以通过多种制备方式得到，本发明实施例提供其中一种优选的制备方法：利用高频电磁场仿真软件进行天线结构的设计，以确定2个馈电探针，2对偶极子，2个反射板及3dB电桥的结构尺寸及相对应的放置距离，经过反复优化得到该天线的性能参数；对于3dB电桥的制作需加工出耦合棒，介质棒和铝制腔体，然后在铝制腔体相应位置安装50欧姆电阻，将同轴电缆固定与铝制腔体相应位置，把介质棒和耦合棒放入腔体，在耦合棒与同轴电缆及50欧姆电阻的连接处焊接；将偶极子与偶极子底座安装好，并保证偶极子的第一部分垂直于偶极子底座，用焊接固定；将3dB电桥的耦合端和输出端通过电缆穿过第一反射板与馈电探针连接，并将同轴电缆焊接到对应偶极子上；将3dB电桥输入端通过射频连接器与RG316同轴电缆相连，RG316同轴电缆穿过第二反射板与SMA连接器连接；将3dB电桥与2个反射板通过螺钉固定在一起，并在2个反射板之间的相应位置放置支撑柱；利用密封胶将天线罩与2个反射板密封在一起。

图13至图15分别提供了本实施例的导航天线的回波损耗曲线、增益曲线和轴比曲线。从图中可以看出，本实施例的导航天线在这个三个方面都表现出了良好的特性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星导航天线，其特征在于，包括：2对偶极子、2个馈电探针、3db电桥、第一反射板和第二反射板；每对偶极子包括2个偶极子；

任一个所述偶极子包括三个部分：第一部分、第二部分和第三部分；其中，第一部分为磁偶极子，第二部分和第三部分为电偶极子；第一部分的第一端连接第二部分的第一端，并且第一部分与第二部分相互垂直，第二部分的第二端连接第三部分的第一端，并且第二部分与第三部分呈145°夹角，第一部分和第三部分位于第二部分的同一侧；各个所述偶极子包括金属材质；

所述2对偶极子中的一对偶极子关于直线对称，并且位于第一平面上；所述2对偶极子中的另一对偶极子关于所述直线对称，并且位于第二平面上；各个所述偶极子的第一部分相比于第二部分和第三部分，更靠近所述直线；所述第一平面和所述第二平面相互垂直；

任一个所述馈电探针包括三个部分：第四部分、第五部分和第六部分；其中，第四部分的第一端连接第五部分的第一端，并且第四部分和第五部分相互垂直，第五部分的第二端连接第六部分的第一端，并且第五部分和第六部分相互垂直；第四部分长于第六部分；各个所述馈电探针包括金属材质；

各个所述馈电探针的第五部分高低错开并且相互垂直，各个所述馈电探针的第四部分相互平行，并且各个所述馈电探针的第四部分位于第五部分的同一侧；

所述2个馈电探针设置于所述2对偶极子中间；各个所述偶极子的第一部分与各个所述馈电探针的第四部分相互平行；

所述3db电桥包括第一输出端和第二输出端；其中，第一输出端连接1个所述馈电探针的第一部分的第二端；第二输出端连接另一个所述馈电探针的第一部分的第二端；所述第一输出端和所述第二输出端分别输出两路功率相等，相位相差90°的电信号；

所述3db电桥设置于所述第一反射板和第二反射板之间；所述3db电桥的第一输出端和第二输出端通过同轴电缆穿过所述第一反射板，与所述馈电探针相连；各个所述偶极子的第一部分的第二端设置于所述第一反射板上；所述第一反射板和所述第二反射板均与各个所述偶极子的第一部分相互垂直。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，还包括扼流圈；

所述扼流圈包括多个同轴的环形侧壁。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，相邻的所述环形侧壁的间距不等。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，远离轴心的环形侧壁相比于靠近轴心的环形侧壁，环形侧壁的高度更小。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述扼流圈包括4个同轴的环形侧壁；其中，远离轴心的两个环形侧壁相比于靠近轴心的两个环形侧壁，环形侧壁的高度更小。

6.根据权利要求2至5任一项所述的天线，其特征在于，各个所述环形侧壁的高度大于接收信号的1/4波长。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的天线，其特征在于，所述3db电桥为腔体空气带状线结构；

所述3db电桥的耦合段和输出端分别作为所述第一输出端和所述第二输出端；

所述3db电桥的输入端连接信号接收系统。

8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述输入端连接射频连接器，通过所述射频连接器连接同轴电缆，该同轴电缆穿过所述第二反射板后与所述信号接收系统相连。

9.根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，任一个偶极子的第三部分在第二部分上的投影的长度为所述天线工作的中心波长的1/4。

10.根据权利要求1至5任一项所述的天线，其特征在于，所述天线工作于1.1GHz-1.7GHz的频段。