CN105206936A - 双频嵌套圆极化导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双频嵌套圆极化导航天线，用于解决现有双频嵌套天线因不能实现双频圆极化工作带来的应用范围小的问题。包括低频辐射体、高频辐射体、金属挡板、第一金属反射板、第一介质板、高频馈电网络、金属螺栓、第二金属反射板、低频馈电网络和高频总路一分三功分器；低频辐射体由四个90°旋转对称的低频辐射单元组成，固定在第二金属反射板上，形成一个立方体空间区域；在该区域内部嵌套有高频辐射体、金属挡板和第一介质板，其中第一介质板的上下表面分别印制有第一金属反射板和高频馈电网络；在第二金属反射板的下方设置有低频馈电网络和高频总路一分三功分器。本发明具双频带和圆极化的优点，可用于卫星导航系统的信号接收和发射。

Description

双频嵌套圆极化导航天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种工作在S频段和U频段的双频嵌套圆极化导航天线，可用于卫星导航系统的信号接收和发射。

背景技术

卫星导航系统是指为地面、海洋、空间及太空的各种载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业系统，可实现对目标的定位、导航、监管和管理，已经在军事和民用等不同领域发挥出重要的作用，成为不可或缺的无线电应用技术。天线是无线系统中重要的部件之一，其电性能决定着整个链路系统的性能。由于星载、机载、车载或手持载体的不同及载体结构尺寸的限制，卫星导航终端需要配备宽带、多频段、小型化或宽波束等不同性能组合的圆极化天线。

天线按照极化特性可分为线极化、圆极化和椭圆极化三种，其带宽是指天线在能满足设计指标要求的频率范围内的主要性能参数，如输入阻抗、方向图、增益、主瓣宽度和副瓣电平等，一般情况下，天线性能参数是随频率而变化的，因而天线带宽就取决于各项性能参数的频率特性。对于圆极化天线，其极化特性往往是限制工作带宽的主要因素。圆极化天线可以接收任意极化方向的线极化波，同时它发射的信号也可以由任意极化方向的线极化天线接收，并且具有旋向正交性，尤其是在航天飞行器、无线通信和雷达的极化分集、全球定位等无线电领域中得到广泛应用领域。

现有卫星导航系统广泛采用层叠型微带结构来实现天线的多频段共口径工作。双频天线同样可以采用高频辐射单元和低频辐射单元组合的方式。这种双频天线组合方式有两种方案：方案一、高低频辐射单元肩并肩排列，这种方案能有效地减小天线的长度，不过存在临近单元大小不等，天线结构左右不对称的问题。由于互耦作用，天线在两个频段的水平方向图主瓣出现左右不对称，方向偏离底板法线且不一致。方案二、高低频辐射单元嵌套组合方式，这种方案能有效地减少天线的宽度，同时也能避免肩并肩方式中由于天线结构左右不对称而产生的天线在两个频段的水平方向图主瓣出现左右不对称，方向偏离底板法线且不一致的问题。硕士学位论文《多频嵌套基站天线的研究与设计》提出了一种双频嵌套天线，高频阵子采用十字交叉阵子，低频阵子采用十字交叉阵子，高频振子嵌套在低频振子内部，高低频振子都与底板相接，该天线可实现双频双线极化工作，但不具备导航天线需要的圆极化特性，从而限制了该种天线形式的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种双频嵌套圆极化天线，使之适用于卫星导航系统，以扩展天线的应用范围，改善天线的辐射特性，提高天线的工作性能，用于解决现有双频嵌套天线因不能实现双频圆极化工作带来的应用范围小的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种双频嵌套圆极化导航天线，包括低频辐射体1、高频辐射体2、金属挡板3、第一金属反射板4、第一介质板5、高频馈电网络6、金属螺栓7、第二金属反射板8、低频馈电网络9和高频总路一分三功分器10；其特征在于，所述低频辐射体1由四个90°旋转对称的低频辐射单元11组成，固定在第二金属反射板8上，形成一个横截面为正方形的立方体空间区域；沿该空间区域的中轴线，自上而下依次嵌套有高频辐射体2、金属挡板3和第一介质板5，其中第一介质板5的上下表面分别印制有第一金属反射板4和高频馈电网络6，通过金属螺栓7支撑在第二金属反射板8的上方；在第二金属反射板8的下方设置有低频馈电网络9和高频总路一分三功分器10，其中低频馈电网络9通过同轴线和低频辐射体1相连，高频总路一分三功分器10通过同轴线依次与高频馈电网络6和高频辐射体2相连。

所述低频辐射单元11采用改进的对称振子形式，包括水平部分和竖直部分，在该低频辐射单元11的纵向对称轴线上设置有矩形开槽，用于形成对称振子的两个臂；在该两个臂的水平部分中心位置分别设置有两个对称的半圆形开槽110，在其外边缘上分别设置有金属开路枝节111，其中两个半圆形开槽110的对称轴与所述矩形开槽垂直。

所述高频辐射体2由十字交叉振子阵21、第三介质板22和高频短路片23组成，其中十字交叉振子阵21由3×3个十字交叉振子组成，印制在第三介质板22上表面，高频短路片23穿过第三介质板21与十字交叉振子22相连，所述第三介质板22采用介电常数为4.4的正方形介质材料；所述高频短路片23采用四个90°旋转对称的金属片。

所述金属挡板3由3×3个正方形金属网格单元组成，其中，3×3个金属网格单元的排列方式与3×3个十字交叉振子的排列方式相同，且金属网格与十字交叉振子的中心位置对齐。

所述低频馈电网络9为延长线型馈电威尔金森功分器，实现低频辐射单元11的右旋圆极化工作。

所述高频馈电网络6由三个分路一分三功分器61、3×3个3dB定向耦合器62和3×3个50Ω匹配电阻63组成，其中，每个分路一分三功分器61的输出端口与对应的3dB定向耦合器62的左旋端口或右旋端口相连，可实现高频辐射体2的左旋圆极化或右旋圆极化工作。

所述第一介质板5采用介电常数为2.65的正方形介质材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明由于采用了高频辐射体和低频辐射体嵌套的形式，并分别结合高频馈电网络和低频馈电网络，实现了天线在S，U频段的双频圆极化工作，使之适用于卫星导航系统。

2、本发明由于采用改进的对称振子作为低频辐射单元，在对称振子两臂的水平部分开有半圆形槽，可以在保证低频辐射单元辐射性能的条件下减小低频辐射体对高频辐射体的遮挡，获得良好的高频辐射特性。

3、本发明由于采用3×3个正方形金属网格单元组成的金属挡板，3×3个金属网格单元的排列方式与3×3个十字交叉振子的排列方式相同，且金属网格与十字交叉振子的中心位置对齐，每个金属网格单元环绕在十字交叉振子四周，可以有效减小高频辐射体方向图的频率偏移，获得良好的高频辐射特性。

4、本发明高频馈电网络由于采用一分三功分器与3dB定向耦合器的级联，每个分路一分三功分器的输出端口与对应的3dB定向耦合器的左旋端口或右旋端口相连，可实现高频辐射体的左旋圆极化或右旋圆极化工作。

附图说明

图1是本发明的整体结构的正视图；

图2是本发明的整体结构的俯视图；

图3是本发明的低频辐射体结构示意图；

图4是本发明的高频辐射体结构示意图；

图5是本发明的金属挡板结构示意图；

图6是本发明的高频馈电网络结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步描述：

参照图1和图2，本发明包括低频辐射体1、高频辐射体2、金属挡板3、第一金属反射板4、第一介质板5、高频馈电网络6、金属螺栓7、第二金属反射板8、低频馈电网络9和高频总路一分三功分器10；所述低频辐射体1固定在第二金属反射板8上，低频辐射体1由四个90°旋转对称的低频辐射单元组成，在低频辐射体的中部形成一个横截面为正方形的立方体空间区域，该正方形横截面的边长为380mm；每个低频辐射单元距对称中心的距离为176mm；沿该空间区域的中轴线，自上而下依次嵌套有高频辐射体2、金属挡板3和第一介质板5，且外轮廓均为沿该立方体空间区域中轴线平行的正方形，第一介质板5采用介电常数为2.65，边长为350mm的正方形介质板，厚度为1mm。在第一介质板5的上下表面分别印制有第一金属反射板4和高频馈电网络6，并由16个高度为7mm的金属螺栓7支撑在第二金属反射板8的上方；金属挡板3呈3×3的网状形式，高频辐射体2穿过金属挡板3和第一金属反射板4相连接；金属挡板3固定在第一金属反射板4上方。第二金属反射板8采用厚度为2mm，边长为500mm的正方形金属材料，在其下方固定有低频馈电网络9和高频总路一分三功分器10，其中低频馈电网络为延长线型馈电威尔金森功分器，其两个输出端口分别与一根高频馈电同轴线相连，每根与低频馈电网络输出端口相连的同轴线分为两路，分别与四个低频辐射单元相连，实现低频辐射单元的右旋圆极化工作，高频总路一分三功分器10的三个输出端口通过同轴线与高频馈电网络6相连，其中，高频馈电网络6由三个分路一分三功分器和3×3个3dB定向耦合器级联，3×3个3dB定向耦合器的输出端口与高频辐射体2相连，实现高频辐射体2的左旋圆极化工作。

参考图3，低频辐射单元11采用改进的对称振子形式，包括水平部分和竖直部分；竖直部分高为245mm，包括垂直部分和倾斜部分，其中垂直部分高为86mm，倾斜部分的倾角为10°；在该低频辐射单元11的纵向对称轴线上设置有矩形开槽，开槽宽为8.2mm，底部距离地面45mm，用于形成对称振子的两个臂；两个臂的水平部分长度为142mm，在该两个臂的水平部分中心位置分别设置有两个对称的半圆形开槽110，其直径为103mm，相距10mm，该两个半圆形开槽110的对称轴与所述矩形开槽垂直。两个臂的水平部分外边缘上分别设置有与其垂直的金属开路枝节111，该枝节长为58mm，宽为62.5mm；该对称振子的两个臂的水平部分中间位置矩形槽附近为高频辐射单元馈电点，在馈电点附近，振子的两臂由金属电桥连接，高频馈电同轴线的外臂焊接在振子一臂的馈电点处，同轴线内芯与金属电桥相焊接，与振子的另一臂相连接。

参照图4，高频辐射体2由十字交叉振子阵21、第三介质板22和高频短路片23组成，其中十字交叉振子阵21由3×3个十字交叉振子组成，印制在第三介质板22上表面，其中，每个十字交叉振子两个振子间缝隙长10.2mm，缝隙宽度为2.8mm，振子臂长36mm，宽2.9mm。两振子之间由金属电桥相连接，每个十字交叉振子链接两根高频馈电同轴线。所述第三介质板22采用介电常数为4.4的正方形介质材料，厚度为1mm。高频短路片23穿过第三介质板21与十字交叉振子22相连，其中，高频短路片23采用四个90°旋转对称的金属片高频短路片高36mm，宽2.9mm。

参照图5，金属挡板3由3×3个正方形金属网格单元组成，每个金属网格为边长为90mm的正方形，金属挡板厚为1mm，高为20mm。每个金属网格中心位置对应地放置有十字交叉振子。

参考图6，高频馈电网络6由三个分路一分三功分器61、3×3个3dB定向耦合器62和3×3个50Ω匹配电阻63组成，其中，每个分路一分三功分器61的输出端口与相对应的3dB定向耦合器62的左旋端口相连接，每个3dB定向耦合器62的右旋端口与50Ω匹配电阻63相连，实现高频辐射体的左旋圆极化工作。

以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双频嵌套圆极化导航天线，包括低频辐射体(1)、高频辐射体(2)、金属挡板(3)、第一金属反射板(4)、第一介质板(5)、高频馈电网络(6)、金属螺栓(7)、第二金属反射板(8)、低频馈电网络(9)和高频总路一分三功分器(10)；其特征在于，所述低频辐射体(1)由四个90°旋转对称的低频辐射单元(11)组成，固定在第二金属反射板(8)上，形成一个横截面为正方形的立方体空间区域；沿该空间区域的中轴线，自上而下依次嵌套有高频辐射体(2)、金属挡板(3)和第一介质板(5)，其中第一介质板(5)的上下表面分别印制有第一金属反射板(4)和高频馈电网络(6)，通过金属螺栓(7)固定在第二金属反射板(8)的上方；在第二金属反射板(8)的下方设置有低频馈电网络(9)和高频总路一分三功分器(10)，其中低频馈电网络(9)通过同轴线和低频辐射体(1)相连，高频总路一分三功分器(10)通过同轴线依次与高频馈电网络(6)和高频辐射体(2)相连。

2.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述低频辐射单元(11)采用改进的对称振子形式，包括水平部分和竖直部分，在该低频辐射单元(11)的纵向对称轴线上设置有矩形开槽，用于形成对称振子的两个臂；在该两个臂的水平部分中心位置分别设置有两个对称的半圆形开槽(110)，在其外边缘上分别设置有金属开路枝节(111)，其中两个半圆形开槽(110)的对称轴与所述矩形开槽垂直。

3.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述高频辐射体(2)由十字交叉振子阵(21)、第三介质板(22)和高频短路片(23)组成，其中十字交叉振子阵(21)由3×3个十字交叉振子组成，印制在第三介质板(22)上表面，高频短路片(23)穿过第三介质板(21)与十字交叉振子(22)相连，所述第三介质板(22)采用介电常数为4.4的正方形介质材料；所述高频短路片(23)采用四个90°旋转对称的金属片。

4.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述金属挡板(3)由3×3个正方形金属网格单元组成，其中，3×3个金属网格单元的排列方式与3×3个十字交叉振子的排列方式相同，且金属网格与十字交叉振子的中心位置对齐。

5.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述低频馈电网络(9)为延长线型馈电威尔金森功分器，实现低频辐射体(1)的右旋圆极化工作。

6.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述高频馈电网络(6)由三个分路一分三功分器(61)、3×3个3dB定向耦合器(62)和3×3个50Ω匹配电阻(63)组成，其中，每个分路一分三功分器(61)的输出端口与对应的3dB定向耦合器(62)的左旋端口或右旋端口相连，可实现高频辐射体(2)的左旋圆极化或右旋圆极化工作。

7.根据权利要求1所述的双频嵌套圆极化导航天线，其特征在于：所述第一介质板(5)采用介电常数为2.65的正方形介质材料。