CN105591195A - 卫星导航系统终端宽带微带天线 - Google Patents

Abstract

卫星导航系统终端宽带微带天线，涉及天线技术。本发明包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：介质基材包括第一层介质基材和第二层介质基材，第一层介质基材和第二层介质基材的介电常数皆为4.4-4.6；第一层介质基材设置于贴片和激励探针之间；激励探针包括横向部分和纵向部分，激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二层介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。本发明的有益效果是，体积小，精度高，带宽大，应用范围广。

Description

卫星导航系统终端宽带微带天线

技术领域

本发明涉及天线技术、宽带技术、特别涉及卫星导航终端天线。

背景技术

卫星导航系统是指为地面、海洋、空间、以及太空的各种的载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业系统。可实现对目标定位、导航、监管、管理。它已在军事和民用等领域发挥出重要作用，成为不可或缺的无线电应用的高技术。

随着北斗导航系统的不断完善，加上中国参与欧洲伽利略卫星导航系统的研发，目前国内已能够接收GPS、北斗、GLONASS、伽利略四套卫星导航系统信号。利用组合导航，可以使观测到的卫星数目会大幅度增加,有利于减少多路径效应，提高定位精度，缩短定位时间，提高观测结构的可靠性。特别是在城市、峡谷、密林深处等信号受到严重遮挡的情况下，尤为重要。

卫星导航系统终端天线多采用微带天线，这是因为微带天线轻、小，适宜平装和集成。普通微带天线工作频带比较窄，一般为2％左右，即或采用扩频加载技术，工作频带也只能扩展到7％左右，不能满足覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略，四系统的频率覆盖要求。因此不得不采用双天线叠层结构。叠层结构天线由两层辐射贴片和接地板组成，上层辐射单元(贴片)产生的L₁频段(1.575GHz).GLONASS的E₁频段(1.602GHz),北斗的B₁频段(1.561GHz)。下层辐射单元(贴片)产生GPS的L₂频段(1.227GHz)GLONASS的E₂频段(1.246GHz)、北斗的B₂频段(1.207GHz)。其中下层辐射单元(贴片)同时也充当了上层的接地板。

要实现对称馈电，需要8根馈线。其中4根馈线为下贴片馈电。另外4根馈线为上贴片馈电，为上贴片馈电的4根馈线必须通过下层贴片，这样就不可避免地会对下层贴片造成激励，形成干扰，降低两天线之间的隔离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更大的带宽和更小体积的卫星导航天线。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，卫星导航系统终端宽带微带天线，包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：

介质基材包括第一层介质基材和第二层介质基材，第一层介质基材和第二层介质基材的介电常数皆为4.4‐4.6；

第一层介质基材设置于贴片和激励探针之间；

激励探针包括横向部分和纵向部分，激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二层介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。

进一步的，激励探针的横向部分和纵向部分皆为直线线段状，横向部分和纵向部分的连接点同时也是横向部分的一个端点和纵向部分的一个端点。

所述贴片为平面贴片，激励探针横向部分和纵向部分的连接点在贴片上的投影位于贴片的边缘。

贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘。

所述贴片的耦合缝隙包括中心对称分布的直线缝隙，对称中心为贴片的中心点，激励探针的横向部分平行于耦合缝隙。

每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙，所述扩展缝隙与直线缝隙垂直相交于扩展缝隙的中点，激励探针的横向部分平行于直线缝隙。

所述激励探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面，且横向部分中心对称分布，横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片，激励探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点，该端点为直线缝隙靠近贴片中心的端点。

所述贴片为正方形贴片，所述直线缝隙垂直于贴片的边，且贴片的每个边都具有一个垂直于该边的直线缝隙。

所述激励探针的纵向部分与贴片平面法线的夹角小于7度。

所述激励探针的纵向部分垂直于贴片。

第一层介质基材和第二层介质基材的介电常数相同。

所述微带天线具有4个馈电端口，相位分别为0°、90°、180°、270°。

本发明的有益效果是，体积小，精度高，带宽大，应用范围广，例如登山旅游、沙漠探险、深林防火、高速公路、高铁、轨道交通特种车辆、关键设施的定位，通讯导航等领域。

附图说明

图1是本发明涉及的天线系统框图。

图2是本发明的天线结构示意图(纵向剖视)。

图3是实施例1的结构示意图，其中a为纵向剖视的示意图，b为俯视角度的贴片示意图，c为俯视角度的探针横向部分示意图。c即为a的A‐A向剖视图。

图4为本发明天线的驻波特性仿真结果，横坐标为频率，纵坐标为驻波，由曲线可以看出，驻波小于3的工作带宽，接近500M。

图5为天线增益的仿真结果曲线图，由结果可以看出天线的增益为5dBic，

图6a至图6i为天线方向图的仿真结果曲线图。横坐标为角度，纵坐标为增益值(dB)。为了直观的反映辐射特性的立体效果，在方位面上每隔10°切一平面，取样一次。共取样10次切出10个平面。由图可以看出这10个平面重合度很好，反映出天线的三维方向图是园对称的。相位中心是稳定的。

图6a中给出的频点为1115MHz，

图6b中给出的频点为1207MHz，

图6c中给出的频点为1246MHz

图6d中给出的频点为1268MHz

图6e中给出的频点为1500MHz

图6f中给出的频点为1561MHz

图6g中给出的频点为1575MHz

图6h中给出的频点为1602MHz

图6i中给出的频点为1630MHz

图7a至图7i为天线的圆极化特性的仿真结果，由图可见，天线在0°‐‐100°的俯仰面内，圆极化轴比基本上在3dB以内。

图7a中给出的频点为1115MHz

图7b中给出的频点为1207MHz，

图7c中给出的频点为1246MHz

图7d中给出的频点为1268MHz

图7e中给出的频点为1500MHz

图7f中给出的频点为1561MHz

图7g中给出的频点为1575MHz

图7h中给出的频点为1602MHz

图7i中给出的频点为1630MHz。

图8为4种贴片形状示意图。

具体实施方式

如在背景技术部分所提及，现有技术的层叠式设计有诸多不利之处。要想解决叠层问题就必须突破微带天线的频带瓶颈，微带天线是谐振式天线，要想突破这种天线的频带瓶颈就必须在激励上下功夫。

本发明提供了一种L型电容性耦合激励方法，把微带天线的工作带宽扩大到30％以上，实现了约500MHz的工作带宽，从而实现了用一副天线覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略四系统。这种激励方法不仅可以扩频而且又可以将天线的外形尺寸减小，从而开启了微带天线的小型化之门。该种天线是背馈的一种变形，它既保留了背馈的结构简单的特点又结合了电容性耦合的特点。

卫星导航系统终端用宽带微带天线系统是一个有源系统，该系统主要由宽带微带天线、馈电网络、低噪放和天线罩等组成，如图1所示。

图2中参数解释：

L为方贴片的边长

h为介质基材的厚度

W为方形基材的边长

d为激励探针弯折部分(即横向部分)与贴片之间的耦合距离。

L1为激励探针弯折部分的长度

实施例1：

卫星导航系统终端微带天线，参见图2、3，包括贴片1、介质基材和激励探针2，介质基材包括第一层介质基材3和第二层介质基材4，两种介质基材的介电常数均为4.5。

第一层介质基材设置于贴片和激励探针之间，贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘；

激励探针为L型探针，包括横向部分和纵向部分；激励探针的横向部分与贴片形成容性耦合，纵向部分穿过第二层介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。贴片的耦合缝隙为中心对称分布的直线缝隙，形成正交结构，L型探针的横向部分平行于耦合缝隙。

所述L型探针的横向部分共面设置于一个平行于正方形贴片的平面，且横向部分中心对称分布，横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片，L型探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙。耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点，形成图3b所示的“T”型缝隙结构。直线缝隙和扩展缝隙的交点同时也是扩展缝隙的中点。

本实施方式的微带天线具有4个馈电端口，相位分别为0°、90°、180°、270°。

图3示出了可用的结构参数，单位为mm，L＝38，W＝70，d＝2，L1＝14.5，直线缝隙宽度1mm，长度10mm，扩展缝隙长度6mm。

设天线最低工作频率f_最低＝1200MHz

自由空间波长λmax＝250mm

波在介质中传播，波长缩短倍，当Er＝4.5时，介质中的波长

$\mathrm{\λ}g\max =250/\sqrt{Er}=117.85mm$

微带天线是谐振式天线，介质表面上的辐射体通常称之为贴片。贴片有方形、圆形和异形，本设计采用方形贴片。

在L型电容性耦合激励的情况下，方形贴片的边长L加上激励探针弯折部分L1等于即

$L+L1=\frac{1}{2}\mathrm{\λ}g\max =58.9mm$

L和L1的比例关系，根据经验为

L/L1＝3.5

计算可得：正方形贴片的边长L＝42.06mm

激励探针弯折部分长度L1＝16.8mm

激励探针弯折部分与贴片之间的耦合距离d，根据经验为：

d＝0.04λgmax＝4.7mm

介质基材的厚度h,根据经验为：

h＝0.1λgmax＝11.785mm

方形介质基材的边长W，根据经验为：

W＝0.65λgmax＝76.6mm

为了提高相位中心的稳定性，采用对称性的四端口馈电。

为了实现良好的圆极化特性，四端口馈电幅度相等，相位分别为0°，90°，180°，270°。采用HFSS电磁工程软件进行了仿真优化的结果是

方贴片的边长L＝38mm

耦合探针弯折部分的长度L1＝14.5mm

为了便于装配，我们把耦合探针的弯折部分改成印制带线，其宽度W1为耦合探针直径的3.14倍。由于选用的探针直径为1mm，因此带线的宽度为3.14mm,

取作3mm。即W1＝3mm。

耦合探针弯折部分与贴片之间的耦合距离d＝2mm

介质基材的厚度h＝8mm

方形介质基材的边长W＝70mm。

馈电网络设计：

为了实现四端口馈电的幅度相等，相位分别为0°，90°，180°，270°，设计了一套以电桥为主的馈电网络，如图1所示。该网络主要由两个90°电桥和一个180°电桥构成。

配合本发明的天线罩采用玻璃钢薄壁罩，天线工作区的厚度为1.2mm。

图4～图7表示了本发明的测试效果。由图中可见各曲线具有良好的重合度。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别是，本实施例的耦合缝隙仅为直线缝隙，并未设置扩展缝隙。

实施例1中，贴片为图8中的正方形，本发明也可以采用其他形状的贴片，例如图8中圆形或者异形。

Claims (12)

1.卫星导航系统终端宽带微带天线，包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：

介质基材包括第一层介质基材和第二层介质基材，第一层介质基材和第二层介质基材的介电常数皆为4.4-4.6；

第一层介质基材设置于贴片和激励探针之间；

激励探针包括横向部分和纵向部分，激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二层介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。

2.如权利要求1所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，激励探针的横向部分和纵向部分皆为直线线段状，横向部分和纵向部分的连接点同时也是横向部分的一个端点和纵向部分的一个端点。

3.如权利要求2所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述贴片为平面贴片，激励探针横向部分和纵向部分的连接点在贴片上的投影位于贴片的边缘。

4.如权利要求2所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘。

5.如权利要求4所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述贴片的耦合缝隙包括中心对称分布的直线缝隙，对称中心为贴片的中心点，激励探针的横向部分平行于耦合缝隙。

6.如权利要求5所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙，所述扩展缝隙与直线缝隙垂直相交于扩展缝隙的中点，激励探针的横向部分平行于直线缝隙。

7.如权利要求3、4、5或6所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述激励探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面，且横向部分中心对称分布，横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片，激励探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

8.如权利要求6所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点，该端点为直线缝隙靠近贴片中心的端点。

9.如权利要求4所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述贴片为正方形贴片，所述直线缝隙垂直于贴片的边，且贴片的每个边都具有一个垂直于该边的直线缝隙。

10.如权利要求3所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述激励探针的纵向部分与贴片平面法线的夹角小于7度。

11.如权利要求3所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，所述激励探针的纵向部分垂直于贴片。

12.如权利要求3所述的卫星导航系统终端宽带微带天线，其特征在于，第一层介质基材和第二层介质基材的介电常数相同。