CN104319467B - 兼容北斗和gps功能的五频段用户机天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，用于解决多频段天线层间隔离度差的问题。其包括北斗一号S频段贴片天线(2)及L频段贴片天线(3)、北斗二号B1频段贴片天线(4)及B3频段贴片天线(5)、馈电网络板(6)、底板(7)和馈电探针(8)。B1频段贴片天线(4)和B3频段贴片天线(5)中心附近设有隔离环,L频段贴片天线(3)馈电网络的输入端设有U形支节,四个贴片天线(2)、(3)、(4)和(5)按照工作频率由高到低、自上而下依次排列；馈电网络板(6)固定在该结构下端；馈电探针(8)上下端分别与其对应的贴片和馈电网络相连。本发明能兼容北斗和GPS的功能，适用于车载、船载导航设备。

Description

兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种能够兼容北斗一号S频段、L频段和北斗二号B1频段、B3频段以及GPSL1频段功能的五频段双圆极化收发同时工作的用户机天线，适用于车载、船载等导航设备。

背景技术

卫星导航系统能够全天候地连续为全球陆、海、空、天的各种民用和其它载体提供高精度三维位置、速度和精密时间信息。目前国外的卫星导航系统，主要有美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，欧洲的Galileo。从2003年起，我国相继研制成功了拥有自主知识产权的北斗一号和北斗二号卫星导航系统，能够实现在局部地区提供与GPS相当的精准定位以及精度为20纳秒的授时，还能提供一次传送120个汉字的短报文通信信息，其中北斗一号L频段和S频段具有收发功能，北斗二号B1、B2和B3频段具有定位和授时功能。

天线是卫星导航系统地面接收机的重要的组成部分,在一定程度上决定着卫星导航系统的性能。为了充分发挥北斗卫星导航系统的作用和满足用户更高层次的需求，需要设计一种能够把北斗一号和北斗二号以及GPS系统L1频段的功能兼容组合在一个天线中的多频段用户机天线，特别是将北斗一号的S频段、L频段与北斗二号B1频段兼容GPS系统L1频段、B3频段集成在一个天线模块中。目前，国内外已经研制出了一些多频段用户机天线，如美国的GPS系统的用户机天线，除了有1575MHz单频L1用户机天线,还有21276MHz双频L1/L和1176MHz三频宽带L1/L2/L5用户机天线，但这些都工作在L频段，且均为右旋圆极化接收天线，对隔离度和低仰角性能没有要求。又如中国专利申请“一种卫星定位天线装置”，(公布号CN 103280633 A、公布日：2013.09.04)公开了一种三层相同规格微带天线介质板组成的B3/B1/L/S四频圆极化卫星定位天线装置，这种天线装置的B1频段和L频段通过电桥实现圆极化，通过不同介电常数而直径相等的介质板层叠，以及底座带有的环形反射挡板的方式，以提高天线的隔离度和低仰角增益。但这些技术均存在兼容性和隔离度性能较差的缺陷，难以满足用户对兼容北斗四个频段及GPS系统L1频段的要求。

发明内容

本发明的目的在于提出一种兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，以克服上述已有多频段天线存在的缺陷，解决多频段天线隔离度性能差而导致的层间互耦大的问题。

为实现以上目的，本发明包括：北斗一号S频段贴片天线2及L频段贴片天线3、北斗二号B1频段兼容GPS L1频段贴片天线4及B3频段贴片天线5、馈电网络板6、底板7和馈电探针8，所述四个贴片天线2、3、4和5按照工作频率由高到低、自上而下依次排列，形成共轴层叠结构；所述馈电网络板6固定在该共轴层叠结构的下端；所述四个贴片天线的贴片通过馈电探针8与馈电网络连接，其特征在于：所述B1频段兼容GPS L1频段贴片天线4和B3频段贴片天线5的中心附近分别设置有隔离环；所述L频段贴片天线3的馈电网络的输入端设置有U形支节，用于抑制该贴片天线的谐波。

作为优选，北斗一号S频段贴片天线2，采用微带结构，该S频段贴片天线的基板21上印制有边长为L21的正方形贴片22，所述贴片的中间设置有用于阻抗匹配U型孔26及微带线27，正方形贴片的对角带有切角23，四周带有径向带线25；所述径向带线位于其所在边的中间位置，其长度L22＝L21/3。

作为优选，北斗一号L频段贴片天线3采用微带结构，该L频段贴片天线的基板31上印制有边长为L31的正方形贴片32，所述正方形贴片的对角带有切角33，四周带有径向带线36，所述径向带线36位于其所在边的中间位置，长度L32＝L31/3；所述L频段贴片天线3的中心设有第一探针孔35。

作为优选，北斗二号B1频段贴片天线4采用微带结构，该B1频段贴片天线的基板41上，印制有对角带有切角43、边长为L41的正方形贴片42；所述B1频段贴片天线的中心设有第二探针孔47；以该探针孔为圆心设置有隔离环，用于提高L频段发射天线与B1频段接收天线之间的隔离度；所述B1频段贴片天线4上设有第三探针孔46。

作为优选，北斗二号B3频段贴片天线5采用微带结构，该B3频段贴片天线的基板50上印制有四周带有径向带线52、边长为L51的正方形贴片51，所述径向带线位于其所在边的中间位置，长度L52＝L51/3；所述B3频段贴片天线5上设有第四探针孔56、第五探针孔55和第六探针孔57。

作为优选，四个贴片天线的贴片边长满足L51＞L41＞L31＞L21。

作为优选，所述四个贴片天线2、3、4和5，其工作频率低的天线兼作工作频率高的天线的反射板，即L频段贴片天线3兼作S频段贴片天线2的反射板；B1频段贴片天线4兼作L频段贴片天线3的反射板；B3频段贴片天线5兼作B1频段贴片天线4的反射板。

作为优选，底板7的腔体中设置有四个同轴插座，分别为第一同轴插座71、第二同轴插座72、第三同轴插座73和第四同轴插座74。

作为优选，所述馈电网络板6兼作B3频段贴片天线5的反射板，该馈电网络板6的下面印制有四个馈电网络，其中馈电网络61的输出端设有阻抗变换段614，输入端设有U形支节612，馈电网络63通过两个功分臂和隔离电阻构成微带Wilkinson功分器，所述四个馈电网络以外的金属部分通过若干个金属化过孔64与上表面66短路连接，这四个馈电网络的输入端分别与其对应的同轴插座相连。

作为优选，所述馈电探针8采用直径为1mm的五个铜质材料制成，该五个探针安装在所述四个贴片天线2、3、4和5及所述馈电网络板6组成叠层结构上，其上端和下端分别与各自对应的贴片和馈电网络相连。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用将不同厚度和介电常数的四个贴片天线设置为按照工作频率由高到低、自上而下依次排列的共轴层叠技术，同时采用高介电常数基板和不同频段天线贴片的形状各异的分形技术，以及低频天线兼作为高频天线的反射板、馈电网络板兼作B3频段贴片天线反射板的复用技术，在保证天线整体结构紧凑的同时，能够有效拓展各天线的带宽，满足更多用户需求。

2、本发明由于采用在B1频段和B3频段的天线中心设置16个环状分布的金属化过孔的短路技术，能够提高B1频段和B3频段与L频段天线之间的隔离度，同时由于采用在馈电网络层上设置有若干个金属化过孔的技术，进一步提高了各馈电端口之间的隔离度，减小了天线工作时不同频段之间的相互干扰。

3、本发明由于采用了S频段探针沿电场为零的贴片中心的馈电方式，减小了对其他频段贴片的影响；同时由于采用了双馈技术，展宽了B3频段贴片天线的阻抗及轴比带宽。

4、本发明由于将四个贴片天线融合到一个用户机天线机体上，使得该用户机天线能够实现兼容五个频段双极化，且可以收发同时工作的功能，有效拓展了其使用范围。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的S频段贴片天线结构示意图；

图3是本发明中的L频段贴片天线结构示意图；

图4是本发明中的B1频段贴片天线结构示意图；

图5是本发明中的B3频段贴片天线结构示意图；

图6是本发明中的馈电网络板结构示意图；

图7是本发明中的底板结构示意图；

图8是本发明中的馈电探针连接示意图。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本实例包括：北斗一号S频段贴片天线2及L频段贴片天线3、北斗二号B1频段兼容GPS L1频段贴片天线4及B3频段贴片天线5、馈电网络板6、底板7和馈电探针8，其中北斗一号S频段贴片天线2设置在最上层，往下依次为北斗一号L频段贴片天线3、北斗二号B1频段兼容GPS L1频段贴片天线4、B3频段贴片天线5和馈电网络板6，这四个贴片天线和馈电网络板6形成共轴层叠结构；馈电探针8安装在该共轴层叠结构上，其上下端分别与各自对应的贴片天线的贴片和馈电网络输出端相连；底板7设置在天线整体的底部，并与天线整体通过螺栓连接固定，其腔体中的同轴插座分别与各自对应的馈电网络输入端相连，形成具有四个天线端口，兼容五个频段的用户机天线。天线罩1设置在天线整体的顶部，通过螺栓与底板7连接固定。

参照图2，北斗一号S频段贴片天线2，采用微带结构，该S频段贴片天线的基板21的厚度h1为3mm、介电常数为6，其上印制有边长为L21的正方形贴片22，该贴片的中间设置有用于阻抗匹配U型孔26及微带线27，正方形贴片的对角带有切角23，该切角的深度为1.5mm，用于形成圆极化，贴片的四周带有径向带线25；该径向带线位于其所在边的中间位置，长度L22＝L21/3、宽度为1mm。

参照图3，北斗一号L频段贴片天线3，采用微带结构，该L频段贴片天线的基板31的厚度h2为3mm，介电常数为为6，其上印制有边长为L31的正方形贴片32，该正方形贴片的对角带有切角33，切角的深度为2.5mm，用于形成圆极化，贴片的四周带有径向带线36，该径向带线36位于其所在边的中间位置，长度L32＝L31/3，宽L33为2mm；所述L频段贴片天线3的中心设有第一探针孔35。

参照图4，北斗二号B1频段贴片天线4，采用微带结构，该B1频段贴片天线的基板41上，印制有对角带有切角43、边长为L41的正方形贴片42；所述B1频段贴片天线的中心设有第二探针孔47，以该探针孔为圆心，设置有16个均匀分布的金属化过孔45形成的隔离环，用于将该B1频段贴片天线4和它的反射板形成短路,提高L频段发射天线与B1频段接收天线之间的隔离度，所述金属化过孔的周向间距＜λ/60，λ为S频段导波波长；所述B1频段贴片天线4上还设有第三探针孔46，该第三探针孔46到第二探针孔47距离L43为5mm。

所述北斗二号B1频段贴片天线4，兼容GPS系统的L1频段，即该贴片天线包含二个频段，可以同时接收北斗二号B1频段和GPS系统的L1频段。

参照图5的正视图5(a)和侧视图5(b)，所述北斗二号B3频段贴片天线5，采用微带结构，该B3频段天线的基板50的厚度h43为3.5mm，介电常数为2.6；其上面印制有四周带有径向带线52、边长为L51的正方形贴片51，所述径向带线52位于其所在边的中间位置，长度L52＝L51/3，宽为L53为3mm；所述B3频段天线中心设有第四探针孔56，以该探针孔为圆心，设置有16个周向间距＜λ/50分布的金属化过孔54形成的隔离环，将该贴片天线5和它的反射板形成短路，用于提高L频段发射天线与B3频段接收天线之间的隔离度，λ为S频段导波波长；在距离第四探针孔56为L54等于4mm和L55等于12mm处，分别设有第五探针孔55和第六探针孔57，且这两个探针孔呈正交布置。

结合图2、图3、图4、图5(a)和图5(b)，所述四个贴片天线2、3、4和5的贴片边长满足L51＞L41＞L31＞L21，其工作频率低的天线兼作工作频率高的天线的反射板，即L频段贴片天线3兼作S频段贴片天线2的反射板；B1频段贴片天线4兼作L频段贴片天线3的反射板；B3频段贴片天线5兼作B1频段贴片天线4的反射板。

参照图6的正视图6(a)和侧视图6(b)，所述馈电网络板6的基板厚度h5为1mm，介电常数为2.6；该馈电网络板的下面印制有S频段，L频段，B1频段和B3频段贴片天线的馈电网络60、61、62和63；馈电网络以外的金属部分,通过若干个金属化过孔64与上表面66短路连接，用于提高各馈电端口之间的隔离度；该馈电网络板兼作B3频段贴片天线5的反射板，可以进一步减小该用户机天线的体积。

所述馈电网络61中的微带线613的输出端设有阻抗变换段614，输入端611设有用于抑制L频段贴片天线3谐波的U形支节612。

所述馈电网络63中的微带线631，通过第一功分臂632、第二功分臂636和隔离电阻634构成微带Wilkinson功分器，其中第二功分臂636比另第一功分臂632路径长λ_g/4，实现90°相差，其中λ_g为导波波长。

参照图7，所述底板7的腔体中设有四个同轴插座，分别为第一同轴插座71、第二同轴插座72、第三同轴插座73和第四同轴插座74，这四个同轴插座分别与其对应的馈电网络的输入端相连，其中第一同轴插座71与馈电网络61的输入端611相连，第二同轴插座72与馈电网络63的输入端633相连、第三同轴插座73与馈电网络60的输入端601相连，第四同轴插座74与馈电网络62的输入端621相连。

参照图8，所述馈电探针8，采用直径为1mm的五个铜质材料制成，该五个探针安装在所述四个贴片天线2、3、4和5及所述馈电网络板6组成叠层结构上，其上端和下端分别与各自对应的贴片和馈电网络相连，其中：

所述馈电探针8的上端分别与各自对应的贴片相连，用于给该帖片馈电，即第一馈电探针80上端依次穿过第四探针孔56、第二探针孔47和第一探针孔35，穿出基板21，与S频段贴片天线的贴片22相连，连接点24；第二馈电探针81上端依次穿过第五探针孔55和第三探针孔46，穿出基板31，与L频段贴片天线的贴片32相连，连接点34；第三馈电探针82上端穿过第六探针孔57，穿出基板41，与B1频段贴片天线的贴片42相连，连接点44；第四馈电探针83和第五馈电探针84上端穿出基板51，与S频段贴片天线的贴片58相连，连接点分别为53和59。

所述馈电探针8的下端分别与各自对应的馈电网络的输出端相连，即第一馈电探针80的下端与馈电网络60中的微带线602的输出端与对应相连，连接点为603；第二馈电探针81的下端与馈电网络61中的微带线613的输出端相连，连接点为615；第三馈电探针82的下端与馈电网络62中的微带线622的输出端相连，连接点为623；第四馈电探针83和第五馈电探针84的下端，分别与馈电网络63中的微带线631的第一功分臂632、第二功分臂636的输出端相连，连接点分别为635和637。

以上描述仅是本发明的一个优选实施例，在本发明精神范围内所作的任何改动和变化，都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，包括北斗一号S频段贴片天线(2)及L频段贴片天线(3)、北斗二号B1频段兼容GPS L1频段贴片天线(4)及B3频段贴片天线(5)、馈电网络板(6)、底板(7)和馈电探针(8)，所述四个贴片天线(2)、(3)、(4)和(5)按照工作频率由高到低、自上而下依次排列，形成共轴层叠结构；所述馈电网络板(6)固定在该共轴层叠结构的下端；所述四个贴片天线的贴片通过馈电探针(8)与馈电网络连接，其特征在于：所述B1频段兼容GPS L1频段贴片天线(4)和B3频段贴片天线(5)的中心附近分别设置有隔离环；所述L频段贴片天线(3)的馈电网络的输入端设置有U形支节，用于抑制该贴片天线的谐波；

所述四个贴片天线2、3、4和5，其工作频率低的天线兼作工作频率高的天线的反射板，即L频段贴片天线(3)兼作S频段贴片天线(2)的反射板；B1频段贴片天线(4)兼作L频段贴片天线(3)的反射板；B3频段贴片天线(5)兼作B1频段贴片天线(4)的反射板。

2.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：所述北斗一号S频段贴片天线(2)，采用微带结构，该S频段贴片天线的基板(21)上印制有边长为L21的正方形贴片(22)，所述贴片的中间设置有用于阻抗匹配U型孔(26)及微带线(27)，正方形贴片的对角带有切角(23)，四周带有径向带线(25)；所述径向带线位于其所在边的中间位置，其长度L22＝L21/3。

3.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：所述北斗一号L频段贴片天线(3)采用微带结构，该L频段贴片天线的基板(31)上印制有边长为L31的正方形贴片(32)，所述正方形贴片的对角带有切角(33)，四周带有径向带线(36)，所述径向带线(36)位于其所在边的中间位置，长度L32＝L31/3；所述L频段贴片天线(3)的中心设有第一探针孔(35)。

4.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：所述北斗二号B1频段贴片天线(4)采用微带结构，该B1频段贴片天线的基板(41)上，印制有对角带有切角(43)、边长为L41的正方形贴片(42)；所述B1频段贴片天线的中心设有第二探针孔(47)；以该探针孔为圆心设置有隔离环，用于提高L频段发射天线与B1频段接收天线之间的隔离度；所述B1频段贴片天线(4)上设有第三探针孔(46)。

5.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：所述北斗二号B3频段贴片天线(5)采用微带结构，该B3频段贴片天线的基板(50)上印制有四周带有径向带线(52)、边长为L51的正方形贴片(51)，所述径向带线位于其所在边的中间位置，长度L52＝L51/3；所述B3频段贴片天线(5)上设有第四探针孔(56)、第五探针孔(55)和第六探针孔(57)。

6.根据权利要求2或3或4或5所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：所述四个贴片天线的贴片边长满足L51＞L41＞L31＞L21。

7.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于：底板(7)的腔体中设有四个同轴插座，分别为第一同轴插座(71)、第二同轴插座(72)、第三同轴插座(73)和第四同轴插座(74)。

8.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于，所述馈电网络板(6)兼作B3频段贴片天线(5)的反射板，该馈电网络板(6)的下面印制有四个馈电网络，其中馈电网络(61)的输出端设有阻抗变换段(614)，输入端设有U形支节(612)，馈电网络(63)通过两个功分臂和隔离电阻构成微带Wilkinson功分器；所述四个馈电网络以外的金属部分通过若干个金属化过孔(64)与上表面(66)短路连接，这四个馈电网络的输入端分别与底板(7)腔体中的对应同轴插座相连。

9.根据权利要求1所述的兼容北斗和GPS功能的五频段用户机天线，其特征在于，所述馈电探针(8)采用直径为1mm的铜质材料制成，所述馈电探针(8)包括第一馈电探针(80)、第二馈电探针(81)、第三馈电探针(82)、第四馈电探针(83)和第五馈电探针(84)五个，该五个探针分别安装在所述四个贴片天线(2)、(3)、(4)和(5)及所述馈电网络板(6)组成叠层结构上，其上端和下端分别与各自对应的贴片和馈电网络相连。