CN104409823A - 北斗与gps兼容的高精度定位定向天线 - Google Patents
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Abstract
一种北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：由用于防护的天线罩、稳定相位中心的天线辐射体、具有抗多路径干扰的背腔和用于放大信号的低噪声放大器组成。采用四馈源馈点的低剖面层叠式结构的微带天线，实现了稳定的，偏差较小的相位中心。采用了水平双扼流槽结构，实现双频工作的高阻抗地面，提高抗多路径干扰能力。既可以通过北斗B1或B3频点实现高精度定位定向，也可以利用GPSL1频点完成高精度定位定向，满足各型北斗高精度定位定向用户机需求。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，是一种包含北斗和GPS L1频段在内的高精度定位定向天线，可用于北斗差分基准站、测地型北斗差分用户机、车载型北斗定位定向仪、阵地型北斗定位定向仪等设备进行高精度定位定向。
技术背景
近几年，卫星导航在国内外得到了迅速的发展，我国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧洲的GALILEO等卫星导航系统都在突飞猛进的升级和发展。目前，用于高精度定位定向的测量天线，大部分都使用和包含了GPS 的L1/L2和L5频段，有的包含了俄罗斯的GLONASS和欧洲的Galileo在内的多个频段。天线直径一般200mm左右，甚至大到380mm。这种天线不仅要覆盖多个频段，而且要有1.0～2.0mm稳定的相位中心，为了扼制多径干扰造成的测量误差，除要求天线具有低轴比、高前后比、大滚降系数等电参数外，还要具有扼制表面波的能力。
结合我国目前高精度定位定向天线的需求，需要将工作频率，性能指标，体积大小综合考虑设计。需要设计只包含北斗B1、B3频段且兼容GPS L1的高精度定位定向天线，以填补国内空白，满足用户需求，为我国北斗导航定位系统的大规模推广应用提供基础产品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种相位中心稳定且具有抗多路径干扰能力的北斗与GPS兼容的北斗用户机小型化天线，以解决北斗高精度定位定向用户机的急需。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：由用于防护的天线罩、稳定相位中心的天线辐射体、具有抗多路径干扰的背腔和用于放大信号的低噪声放大器组成，天线辐射体安装在背腔的顶端，天线罩安装在天线辐射体的上面，低噪声放大器安装在背腔3的中部的空腔内；在背腔的底端设有安装装置和射频插头，所述的低噪声放大器的输入端和输出端分别用电缆与天线辐射体和射频插头连接。
所述的天线辐射体包括上层异形微带天线、下层准方形微带天线、馈电探针和馈电网络，上层异形微带天线、下层准方形微带天线和馈电网络依次自上而下共轴层叠放置，采用四根馈电探针分别通过设在上层异形微带天线的馈电连接孔、设在下层准方形微带天线上的耦合馈电孔和设在馈电网络上的馈电端子依次顺序连接；四个馈电端子、馈电连接孔和耦合馈电孔位置相对应。
所述的上层异形微带天线采用介电常数为2.6的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为3mm，在该上层异形微带天线的上面覆有边长为54mm的金属贴片，在该金属贴片的每一边上的相同位置开有两个长9mm、宽3mm的矩形豁口，每一边的两个矩形豁口距该边的中点的距离相等；所述的馈电连接孔的位置位于该金属贴片的每一边附近的中部。
所述的下层准方形微带天线采用介电常数为2.6的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为5mm，在该下层准方形微带天线上覆有边长为68.2mm的方形金属贴片；所述的耦合馈电孔位于该金属贴片每一边附近的中部。
所述的背腔由上部和下部通过螺钉连接而成，在两者的结合面上设有密封圈；该圆形的上部的轴向截面为H形，该下部的主体为与上部配合的圆盘状，在该圆盘状的外周面设有环形凹槽状的扼流装置，在该下部的中心设有所述的安装装置，该安装装置为向下凸出的内螺纹管状接口。
所述的该扼流装置包括低频扼流槽和高频扼流槽，低频扼流槽的深度L1约为北斗B3中心频率波长的0.23倍，宽度h1为北斗B3中心频率波长的0.02倍；高频扼流槽的深度L2约为北斗B1中心频率的0.23倍，宽度h2为北斗B1中心频率波长的0.03倍。
本发明具有如下优点：
1、既可以通过北斗B1或B3实现高精度定位定向，也可以利用GPS L1完成高精度定位定向，满足各型北斗高精度定位定向用户机急需。
2、采用四馈源馈点的低剖面层叠式结构的微带天线，实现了稳定的，偏差较小的相位中心。
3、采用了双扼流槽结构，实现双频工作的高阻抗地面，提高抗多路径干扰能力。
4、本发明涉及的高精度定位定向天线直径较目前国外主流的直径为380mm的天线尺寸减小了近二分之一，其性能指标优良：相位中心离散度PCV小于1.0mm；最大极化增益4～6dBic；极化前后比26～30dB。
附图说明
图１是本发明的整体结构剖视示意图；
图２是本发明的上层异形微带天线的结构示意图；
图３是本发明的下层准方形微带天线结构示意图；
图4是本发明的馈电网络结构示意图；
图5是对本发明的实施方案实际测试的增益方向图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明技术方案。
如图1所示，本发明高精度定位定向天线实施例的结构包括由用于防护的天线罩1、稳定相位中心的天线辐射体2、具有抗多路径干扰的背腔3和用于放大信号的低噪声放大器29组成，天线辐射体2安装在背腔3的顶端，天线罩1安装在天线辐射体2的上面，低噪声放大器29安装在背腔3的中部的空腔内。在背腔3的底端设有安装装置27和射频插头22。
所述的天线辐射体2由上层异形微带天线4、下层准方形微带天线6、馈电探针8和馈电网络16组成，上层异形微带天线4共轴同心放置在下层准方形微带天线6的上方，馈电网络16共轴同心放置在下层准方形微带天线6的背面。四根馈电探针8分别通过设在上层异形微带天线4的馈电连接孔31、设在下层准方形微带天线6上的四个耦合馈电孔12和设在馈电网络16上的四个馈电端子36依次顺序连接。四个馈电端子36、馈电连接孔31和耦合馈电孔12位置相对应。四根馈电探针8的直径均为0.9mm。
馈电网络16上设有的四个馈电端子36依次为上层异形微带天线4和下层准方形微带天线6提供幅度相等、相位270°、180°、90°和0°的馈电，实现覆盖北斗B3、B1和GPS L1频率，且稳定相位中心的右旋圆极化天线。
将天线辐射体2通过上层异形微带天线4上设有的安装孔35、下层准方形微带天线6上设有的安装孔41和馈电网络16上设有的安装孔40用螺钉17固定在背腔３的顶部。
所述的背腔3由上部32和下部33通过螺钉30连接而成，在两者的结合面上设有密封圈34。该圆形的上部32的轴向截面为H形（上下各有凹腔），该下部33的主体为与上部配合的圆盘状，在该圆盘状的外周面设有环形凹槽状的扼流装置25，在该下部33的中心设有所述的安装装置27，该安装装置27为向下凸出的内螺纹管状接口。
所述的该扼流装置25包括低频扼流槽23和高频扼流槽24，低频扼流槽23的深度L1约为北斗B3中心频率波长的0.23倍，宽度h1为北斗B3中心频率波长的0.02倍；高频扼流槽24的深度L2约为北斗B1中心频率的0.23倍，宽度h2为北斗B1中心频率波长的0.03倍。其目的是设计出对应北斗B3、B1和GPS L1频率的高阻抗地面，抑制该频率的表面波，改善天线前后比，提高天线在定位定向时的路径抗干扰能力。
如图1所示，天线罩1通过内螺纹与背腔3上部的外螺纹连接在一起，起到防护天线的作用。
如图1所示的低噪声放大器29安装固定在背腔3的上部32下端的凹腔与下部33构成的空腔内，低噪声放大器29的两端分别设有射频输入端口19和带有直流馈电的射频输出端口20，低噪声放大器29通过馈电网络16带有的同轴电缆组件18和射频输入端口19连接，低噪声放大器29的射频输出端口20通过同轴电缆21和射频插头22连接，射频插头22通过扼流装置25上设有的孔28安装固定。考虑结构件工程强度将安装装置27和扼流装置25一体加工。金属结构件3通过设有的安装孔用沉头螺钉30和扼流装置25共轴固定在一起。
如图2所示，是图1所述的上层异形微带天线4的正面示意图。上层异形微带天线4采用介电常数为2.65的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为3mm，上层异形微带天线4上覆有金属贴片5、四个馈电连接孔31和4个安装孔35，其中金属贴片5上设有调试阻抗匹配的8个长为k＝9mm、n＝3mm的豁口43（每边各两个）。图2中的尺寸w为54mm，m为10mm，工作于北斗B1和GPS L1频段。
如图3所示，是图1所述的下层准方形微带天线6的正面示意图。下层准方形微带天线6采用介电常数为2.6的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为5mm，下层准方形微带天线6上覆有金属贴片7、四个耦合馈电孔12和四个安装孔41，其中金属贴片7的边长尺寸为68.2mm，工作于北斗B3频段。
如图4所示，是图1所述的馈电网络16的正面示意图。馈电网络16是一个能提供幅度相等，相位分别为270°、180°、90°和0°的一分四功分器设计，在馈电时顺序对应四个馈电端子36。
如图5所示，是本发明的实施方案实际测试的增益方向图。从图可以看出本发明涉及的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线具有较高的右旋圆极化增益和较好的极化前后比，满足北斗系列高精度定位定向用户机的需求。
Claims (6)
1.一种北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：由用于防护的天线罩1、稳定相位中心的天线辐射体2、具有抗多路径干扰的背腔3和用于放大信号的低噪声放大器组成，天线辐射体2安装在背腔3的顶端，天线罩1安装在天线辐射体2的上面，低噪声放大器安装在背腔3的中部的空腔内；在背腔3的底端设有安装装置27和射频插头22，所述的低噪声放大器的输入端和输出端分别用电缆与天线辐射体2和射频插头22连接。
2.根据权利要求1所述的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：所述的天线辐射体2包括上层异形微带天线4、下层准方形微带天线6、馈电探针8和馈电网络16，上层异形微带天线4、下层准方形微带天线6和馈电网络16依次自上而下共轴层叠放置，采用四根馈电探针8分别通过设在上层异形微带天线4的馈电连接孔31、设在下层准方形微带天线6上的耦合馈电孔12和设在馈电网络16上的馈电端子36依次顺序连接；四个馈电端子36、馈电连接孔31和耦合馈电孔12位置相对应。
3.根据权利要求2所述的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：所述的上层异形微带天线4采用介电常数为2.6的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为3mm，在该上层异形微带天线４的上面覆有边长为54mm的金属贴片5，在该金属贴片5的每一边上的相同位置开有两个长9mm、宽3mm的矩形豁口51，每一边的两个矩形豁口51距该边的中点的距离相等；所述的馈电连接孔31的位置位于该金属贴片5的每一边附近的中部。
4.根据权利要求２所述的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：所述的下层准方形微带天线6采用介电常数为2.6的聚四氟乙烯材料制成，其直径为150mm，厚度为5mm，在该下层准方形微带天线6上覆有边长为68.2mm的方形金属贴片7；所述的耦合馈电孔12位于该金属贴片7每一边附近的中部。
5.根据权利要求1所述的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：所述的背腔3由上部32和下部33通过螺钉30连接而成，在两者的结合面上设有密封圈34；该圆形的上部32的轴向截面为H形，该下部33的主体为与上部配合的圆盘状，在该圆盘状的外周面设有环形凹槽状的扼流装置25，在该下部33的中心设有所述的安装装置27，该安装装置27为向下凸出的内螺纹管状接口。
6.根据权利要求5所述的北斗与GPS兼容的高精度定位定向天线，其特征在于：所述的该扼流装置25包括低频扼流槽23和高频扼流槽24，低频扼流槽23的深度L1约为北斗B3中心频率波长的0.23倍，宽度h1为北斗B3中心频率波长的0.02倍；高频扼流槽24的深度L2约为北斗B1中心频率的0.23倍，宽度h2为北斗B1中心频率波长的0.03倍。
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