CN104681980A - 一种双耦合短路加载gnss导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双耦合短路加载GNSS导航天线，分上下两层，下层为四馈电网络层，上层为贴片层，贴片层向双耦合短路加载GNSS导航天线四角伸出金属带层，金属带层同第一短路金属带耦合，最后短路到下层地板层，同时第二短路金属带层同第一个短路金属带相耦合并短路到地板，形成双短路加载结构，双耦合短路加载GNSS导航天线馈电采用两层的L探针馈电，两层L探针馈电中间为空气介质。本发明通过结构改变可以实现双频段应用，并使用此新技术，发明了一种体积比现有天线更小的GNSS天线。

Description

一种双耦合短路加载GNSS导航天线

技术领域

本发明属于卫星导航天线技术领域，尤其涉及一种双耦合短路加载GNSS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(Global Navigation Satellite System，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。GNSS所覆盖的频段由两部分组成，分别是1.164GHz-1.300GHz的低频段和1.559GHz-1.610GHz的高频段，目前常用的GNSS天线常采用两种方式覆盖这两个频段：覆盖整个1.1GHz-1.6GHz的宽带导航天线和分别覆盖这两个频段的双频导航天线，但是目前为止，已发表的和以应用的导航天线无论是那种形式，都存在尺寸过大的问题。

目前所发表和应用的导航天线中，微带天线相比于其他形式的GNSS天线，体积要小。这是由于微带天线有一系列的小型化技术，包括贴片开槽，高介电常数介质板，短路加载等方法，这其中短路加载的方法对于微带天线小型化，效果最明显。虽然此天线成功的将短路加载应用于宽带GNSS天线当中，但是此天线是1.1GHz-1.6GHz的宽带天线，对于GNSS系统，两个频段中间的1.3GHz-1.5GHz并没有实际用途，理论上讲，小型化天线的尺寸和天线的性能有直接的关系，频段的浪费可以等同于体积的浪费。也就是说，如果能将此宽带天线改为双频段的导航天线，或者说，发明一种双频短路加载微带天线，GNSS天线的尺寸有可能进一步缩小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双耦合短路加载GNSS导航天线，旨在解决现有的导航天线存在尺寸过大，仅仅可以实现宽带无法实现双频，影响卫星导航技术发展的问题。

本发明是这样实现的，一种双耦合短路加载GNSS导航天线，该双耦合短路加载GNSS导航天线分上下两层，下层为四馈电网络层，上层为贴片层，贴片层向双耦合短路加载GNSS导航天线四角伸出金属带层，金属带层同第一短路金属带耦合，最后短路到下层地板层，同时第二短路金属带层同第一个短路金属带相耦合并短路到地板，形成双短路加载结构，双耦合短路加载GNSS导航天线馈电采用两层的L探针馈电，两层L探针馈电中间为空气介质。

进一步，该双耦合短路加载GNSS导航天线采用上下两部分的形式，天线采用四馈每个馈电点等幅相位相差90度的形式；采用带线结构的宽带移相器，使用双层一分四带线移相器的形式，下层为一个180度移相器，上层为两个90度移相器，实现输出端口2345的90度相差。

进一步，该双耦合短路加载GNSS导航天线的馈电网络介质板采用介电常数4.4的微波复合材料，每层高度为2mm，总高度为4mm；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1mm的金属铜柱，水平金属部分印刷在上层介质板的背正面，贴片印刷在上层介质板背面。

进一步，该双耦合短路加载GNSS导航天线的尺寸为60mm*60mm*18mm。

本发明提供的双耦合短路加载GNSS导航天线，使用双耦合短路加载技术，将原有的宽带短路加载GNSS变为双频短路加载GNSS天线，体积更小的同时性能没有损失，是一种非常适合双频小型化的应用的导航天线。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双天线1结构示意图；

图2是本发明实施例提供的天线1最大方向增益和L3L5长度关系示意图；

图3是本发明实施例提供的天线1输入阻抗和L3L5长度关系示意图；

图4是本发明实施例提供的天线2结构图；

图5是本发明实施例提供的天线1天线2增益(a)和阻抗实部(b)对比示意图；

图6是本发明实施例提供的天线3结构示意图；

图7是本发明实施例提供的天线2天线3增益和阻抗实部对比示意图；

图8是本发明实施例提供的天线辐射效率仿真结果示意图；

图9是本发明实施例提供的双耦合短路加载GNSS导航天线结构示意图；

图10是本发明实施例提供的天线馈电网络结构示意图；

图11是本发明实施例提供的实测和仿真回波损耗示意图；

图12是本发明实施例提供的实测和仿真增益圆极化轴比对比示意图；

图13是本发明实施例提供的天线仿真辐射效率和仿真和实测轴比方向图对比示意图；

图14是本发明实施例提供的天线对应三个频点实测归一化方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明实施例的双耦合短路加载GNSS导航天线一共分五层，下面四层印刷版压合在一起组成了带线结构的馈电网络，短路探针和馈电L探针垂直部分使用的是直径1mm铜针，上层使用的是厚度为1mm的f4b介质板。

通过以下的试验对本发明的应用效果做进一步的说明：

本发明实施例的该双耦合短路加载GNSS导航天线分上下两层，下层为四馈电网络层，上层为贴片层，贴片层向双耦合短路加载GNSS导航天线四角伸出金属带层，金属带层同第一短路金属带耦合，最后短路到下层地板层，同时第二短路金属带层同第一个短路金属带相耦合并短路到地板，形成双短路加载结构，双耦合短路加载GNSS导航天线馈电采用两层的L探针馈电，两层L探针馈电中间为空气介质。

为了方便研究短路加载技术，本发明首先设计了几种原型天线，研究过程使用AnsoftHFSS 13作为仿真软件；首先是天线1，如图1所示，这是一种由本人发明的传统的短路加载结构天线【Chao Sun,Huili Zheng,Lingfei Zhang,andYing Liu,"Wideband Compact Circularly Polarized Patch Antenna Loaded withShorting Probe,"Journal ofElectromagnetic Waves andApplications,vol.28,no.12,pp.1512–1521,2014.】，从微带天线贴片向天线四个角引出四条金属带，同短路探针的金属带相耦合，并在天线四角通过短路探针短路到地板；天线1短路结构关键尺寸标注在图1上，具体尺寸如表1所示；短路金属带传统的短路加载微带天线最显著的特点就是，通过增长短路结构的尺寸(L3和L5)，天线的带宽会急剧减小，如图2的增益曲线所示；并在1.7GHz出现明显的陷波；图3是此天线天线阻抗曲线同L3和L5的关系，这张图可以解释图2的增益曲线，可以明显看出，在低频段的第一个谐振点是天线的主谐振点，天现在这个谐振点有良好的辐射性能；第二个谐振点是寄生谐振点，天线在这个谐振点辐射性能会非常差，形成陷波频段，之后恢复正常；我们可以假设，如果将陷波频段向上移动至1.3GHz-1.5GHz，之后增益在1.5GHz之后恢复正常，就可以形成我们所需要的双频段天线；但是通过增大L3和L5是不可能实现的，这是由于，增大L3和L5的尺寸，两个谐振点以一样的速度向低频移动(由图2图3可以看出)，两个谐振点之间的距离没有减小；除此之外，第一个谐振点的频带宽度也会急剧下降，辐射性能受很大影响；

表1天线1参数

参数	G	Lp	Fx	Lf	Wf	h	L1	εr
									值(mm)	35	20	4	8	3	5	1	2.65
参数	L2	L3	L4	L5	w
									值(mm)	3.5	14.5	16	5.5	1

针对这个问题，本发明提出了将短路加载短路金属带向短路探针另一侧延长的实验性办法，如图4所示，此实验原型天线标记为天线2；得到的结果和天线1的结果对比如图5(a)(b)所示；可以看到，通过将短路金属带向短路探针的另一端延长(增大L6)，第二个谐振点会很快的向低频段移动，同时对第一个谐振点有很小的影响；但是与此同时，可以观察到，天线的增益在第二个谐振点之后并没有回复正常，这是由于反向延长的探针引入了第三个谐振点造成的；如图5(b)所示，第三个谐振点对于天线增益和第二个谐振点有着同样的效果；同时，我们增大L6，第三个谐振点并没有向低频段移动，而是停留在GNSS高频段的1.6GHz周围，对天线高频段的辐射性能有很大影响；所以单是将短路金属带反向延长也不能达到本发明的目的；

为了能使得天线在1.3GHz-1.5GHz产生陷波的同时，天线在高频段还能获得良好的辐射性能，本发明的短路加载结构-双耦合短路加载技术，结构如图6所示，此天线标记为天线3；可以看到，一个新的短路探针结构同原来的短路探针反向延长部分向耦合，相当于形成两个并联的LC加载，产生更多的谐振点；得到的结果同天线2的对比如图7所示，可以看到，相比于增大L6，通过添加新的耦合短路加载，天线第三个谐振点明显向低频段快速移动，同第二个谐振点形成一个很宽的陷波频段，同时在GNSS高频段的增益恢复正常，形成了双频段的天线；同时通过图8可以看到，增大新的短路探针的反向尺寸，可以独立的控制高频段的频段范围，使其满足GNSS的频段要求；

在获得了这种小型化双频短路加载微带天线的新技术后，本发明将此技术应用于GNSS天线的设计当中，天线的具体方案如下：整体结构如图9所示；大体结构于天线4相同，不同的是天线采用了上下两部分的形式，使得空气作为介质以获得更好地辐射效率；天线下半部分为馈电网络，为了能获得良好的圆极化辐射，此天线采用四馈每个馈电点等幅相位相差90度的形式；为了获得更大的带宽，此天线馈电网络采用带线结构的宽带移相器，但是一分四的宽带移相器往往尺寸过大，为了能尽可能减小尺寸，此天线使用双层一分四带线移相器的形式，下层为一个180度移相器，上层为两个90度移相器，实现输出端口2345的90度相差；从而实现天线的圆极化辐射；结构如图10所示，馈电网络介质板采用介电常数4.4的微波复合材料，每层高度为2mm，总高度为4mm；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1mm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)的背正面，贴片印刷在上层介质板背面以利于加工。

本发明的GNSS双频导航天线具体尺寸标注如图1、4、6、9所示，具体数值如下：

参数	G	Lp	h	h1	h2	Fx	Lf
								数值(mm)	60	38	14	1	4	23	9
参数	Wf	rfeed	rpin	L1	L2	L3	L4
								数值(mm)	5.5	1	1	10	7.5	10	3.5
参数	L5	L6	L7	L8	L9	L10	w
								数值(mm)	17	16	11.5	5	13.5	15	2

天线的加工以印刷电路板形式完成，一共分五层，下面四层印刷版压合在一起组成了带线结构的馈电网络，短路探针和馈电L探针垂直部分使用的是直径1mm铜针，上层使用的是厚度为1mm的f4b介质板。

仿真和实测数据证明，本发明的GNSS天线在两个频段内都拥有很好的驻波比和辐射特性，天线仿真使用的是Ansoft HFSS 13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。天线的实测和仿真回波损耗对比如图11所示，实测和仿真增益圆极化轴比对比如图12所示，天线仿真辐射效率和仿真和三个频点(1.164GHz,1.3GHz,1.575GHz)实测轴比方向图对比如图13(a)(b)所示，天线对应三个频点实测归一化方向图如图14(a)(b)(c)所示。

本发明的小型化双频短路加载技术—双耦合短路加载结构，使得天线可以同时实现小型化和双频段的特性；通过改变双耦合短路加载结构的尺寸，可以任意调整两个频段的频段范围；尺寸只有60mm*60mm*18mm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双耦合短路加载GNSS导航天线，其特征在于，该双耦合短路加载GNSS导航天线分上下两层，下层为四馈电网络层，上层为贴片层，贴片层向双耦合短路加载GNSS导航天线四角伸出金属带层，金属带层同第一短路金属带耦合，最后短路到下层地板层，同时第二短路金属带层同第一个短路金属带相耦合并短路到地板，形成双短路加载结构，双耦合短路加载GNSS导航天线馈电采用两层的L探针馈电，两层L探针馈电中间为空气介质。

2.如权利要求1所述的双耦合短路加载GNSS导航天线，其特征在于，该双耦合短路加载GNSS导航天线采用上下两部分的形式，天线采用四馈每个馈电点等幅相位相差90度的形式；采用带线结构的宽带移相器，使用双层一分四带线移相器的形式，下层为一个180度移相器，上层为两个90度移相器，实现输出端口2345的90度相差。

3.如权利要求1所述的双耦合短路加载GNSS导航天线，其特征在于，该双耦合短路加载GNSS导航天线的馈电网络介质板采用介电常数4.4的微波复合材料，每层高度为2mm，总高度为4mm；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1mm的金属铜柱，水平金属部分印刷在上层介质板的背正面，贴片印刷在上层介质板背面。

4.如权利要求1所述的双耦合短路加载GNSS导航天线，其特征在于，该双耦合短路加载GNSS导航天线的尺寸为60mm*60mm*18mm。