CN105609945A - 覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，由辐射器、激励器和馈电网络一体组成。辐射器由陶瓷基材薄片，以及印制在该薄片顶面上的金属贴片与该基材薄片构成一体。辐射器金属贴片形状刻制成前后左右四角中心连体和各角上每块都具有四角中心连体、由16块形状大小相同的第二级贴片；激励器内装四根倒L型耦合探针，耦合探针与贴片间具有耦合间距。将天线的工作频率扩展到1150-1700MH_z，突破了现有微带天线带宽仅为150MH_Z的限制，将接收信号频率带宽扩展了3.6-5.5倍。与现有天线尺寸比较实现了天线的微小型化。测试表明：本天线可接收美国GPS、俄国GLONASS及我国北斗星导航系统发射的定位信号。

Description

覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线

技术领域

本发明属于卫星导航系统技术领域，确切的说是涉及一种覆盖全球卫星导航系的微型天线。

背景技术

全球卫星导航系统，被称作人类在太空里的“眼睛”，哪个国家拥有这双“眼睛”，就掌握了太空战制胜的“王牌”，军事的需要和重要的商业利益，迫使世界强国在这一领域的竞争日趋激烈。

全球卫星导航系统具有全时空、全天侯、高精度、连续实时地为地面、海洋以及空中各种载体提供位置、速度、时间等资讯服务的能力，具有对目标定位、导航、监管和管理的精准功能，全球通讯、航天、探矿、救援、国防安全等各领域都离不开它。但是，限于各国的国力和科技水平，目前具有全球卫星定位系统及其导航服务能力的国家，只有美国、俄罗斯、中国和欧盟。

美国的GPS全球卫星定位系统，是一个接收型定位系统，只转播信号，用户接收就可定位，不受容量限制。整套系统包括绕地球运行的24颗卫星，每颗卫星能连续发射一定频率的无线电信号，只要持有便携式信号接收机，无论身处陆地、海上还是空中都能收到卫星发出的特定信号。接收机中的电脑只要选取4颗或4颗以上卫星发出的信号进行分析，就能确定接收机持有者的所在位置。然而，由于GPS系统的24颗卫星分布在6条椭圆轨道上，每颗卫星信号频率和调制方式相同，不同卫星信号靠不同伪码区分，其存在的技术弱点是，卫星反馈到地面接收机的GPS信号很弱时，受到干扰会使接收机无法正常工作，导致导航精度降低，这种卫星定位导航系统对中低纬度地区的用户比较便利。

俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统，目前有21颗工作卫星分布在3条轨道上，还有3颗备用卫星，较适用高纬度的用户，与GPS相比其定位精度、隐蔽性稍差，但是其抗干扰性明显强于GPS。由于其用户端设备发展严重滞后，其全球的民用和商业用户受到限制。

欧盟的伽利略卫星导航系统，是继中国北斗卫星导航系统之后，欧盟计划建设的全球卫星导航系统，由30颗卫星组成。系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输是通过特殊联系方式或其他系统的中继来实现，并且“伽利略”接收机将可以接受GPS、GLONASS两大系统的信号。

中国的BDS北斗卫星导航系统，是继美、俄之后第三个成熟的卫星导航系统。该系统由空间段、地面段和用户段三部分组。北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。根据系统建设总体规划，己于2012年具备了覆盖亚太地区的全天侯、全天时为各类运载工具提供定位、导航、授时服务，以及短报文通信能力。并将于2020年左右建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

目前在用的全球卫星导航系统接收机的终端天线，都是针对不同的卫星导航系统配备的不同的接收机天线。这种导航系统使用的天线多为圆极化微带天线，其缺点是：(1)微带天线工作频带的瓶颈问题。由于微带天线是谐振式天线工作频带比较窄，一般只能做到10％左右，不能覆盖目前四个导航系统的工作频点。若突破微带天线存在的工作频带窄的技术瓶颈，不得不采用多天线叠层结构。现有在用的星导航系统终端接收机窄带微带天线，为结构繁杂的具有叠层结构的双天线盘，其盘面直径为Φ146mm、盘高60mm，工作频率的低端带宽为1.2GH_Z-1.3GH_Z，高端带宽为1.5GH_Z-1.65GH_Z。双天线盘频带太窄，解决不了拓宽频带遇到的瓶颈问题，还造成天线结构更为复杂、尺寸过大、产生互耦干扰。(2)天线的小型化、微型化问题。目前卫星导航系统终端使用的微带天线尺寸过大，很难装在手持机、小型板卡以及对尺寸重量有严格要求的场合。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有卫星导航系统接受终端的接收机天线，工作频带窄、尺寸过大、不能兼容接收GPS、GLONASS、北斗及伽利略四套卫星导航系统信号的技术难题，为用户提供一种微小型、重量轻、方便携带，收接频带在1150-1700MH_Z，稳定性好，实现一机一天线覆盖全球GPS、GLONASS、北斗、伽利略四套卫星导航信号的便携式卫星导航系统终端接收机的新型宽带微型微带天线。可广泛应用于：森林防火、登山旅游、轨道交通、高铁运输、关键设施的定位管理、监测、通讯导航等领域。

实现本发明目的采用下述技术方案：

覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，由辐射器、激励器和馈电网络组成，其特征在于：其中辐射器由边长≤19mm、厚度≤1mm、介电常数Er为35-40的正方形陶瓷基材薄片，以及印制在该陶瓷基材薄片正方形顶面上、边长为17mm的正方形金属贴片与该陶瓷基材薄片构成一体；

所述激励器是装在辐射器的底部，它是由与辐射器正方形陶瓷基材薄片等边长、厚度≤6mm、介电常数Er为14-18的正方形介质基体，以及竖直封装在该介质基体内的四根倒L型耦合探针所组成，探针针体顶部的弯折段与位于其顶部的辐射体金属贴片平行、探针针体底端装在该介质基体下面的馈电网络印制板上；

馈电网络是装在激励器底部与其长宽尺寸相同的馈电网络印制版，它是由一个180°电桥和两个90°电桥组成的具有一个输入端口和四个输出端口的馈电网络，该馈电网络的四个输出端口，分别为激励器中的四根激励探针提供等幅值、相位分别为0°、90°、180°、270°的信号电平。

所述辐射器的正方形金属贴片，采用准分形结构的第一级贴片，即是自金属贴片各边的中心位置，分别沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制具有相等宽度D₁和相等长度的刻制分隔线，整块贴片被刻制成前后左右具有中心连体结构的四块形状大小相同的第一级对称贴片。

所述辐射器的正方形金属贴片，采用准分形结构的第二级贴片，即是针对第一级贴片中连体的前后左右四块贴片的每块贴片：对其外裸的相邻两边，自各边的中心位置沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制具有相等宽度D₁和相等长度D₂的两条刻制分隔线；对其内含的相邻两边，刻制位置与其外裸两边上的刻制分隔线相对应、具有对应相等宽度D₁和长度D₂的另两条刻制分隔线，结构上形成前后左右四角中心连体和各角上每块都具有四角中心连体、由16块形状大小相同的第二级贴片组成的辐射器的正方形金属贴片。

所述采用准分形结构的第一级贴片，其刻制分隔线的宽度D₁为1mm、长度为6.5-7.0mm。

所述采用准分形结构的第二级贴片，在其每块连心的第一级对称贴片上，外裸的相邻两边中心位置制出的刻制分隔线，以及与其对应的内含相邻两边制出的刻制分隔线，宽度D₁为1mm、长度D₂为2mm。

将贴片刻制成这种连心分级对称贴片的优点是：扩展天线工作带宽，改善辐射效率。

所述激励器的耦合探针与贴片的耦合距离为1.0-1.1mm。

所述激励器耦合探针的弯折段长度为4.9-5.2mm。

本发明的突出优点是：与现有叠层结构的多根天线相比较：

1)本发明的辐射器具有准分形结构的贴片及具有四根倒L型耦合探针的激励器，两者配合工作，突破了现有卫星导航系统终端接收机窄带微带天线工作频率的瓶颈，实现了工作频率扩展到1150-1700MH_Z，将现有天线的100-150MH_Z带宽提高到550MH_Z带宽，使接收信号频率的带宽扩展了3.6-5.5倍。

2)不加馈电网络的本案单天线外形尺寸为：18mm×18mm×7mm，与现有天线尺寸相比较，大大缩小了天线的外形尺寸实现了天线的微小型化。

附图说明

图1为本发明宽带微型微带天线外形结构示意图

图2为本发明宽带微型微带天线的辐射器俯视结构示意图

图3为本发明宽带微型微带天线的激励器剖视图

图4为本发明宽带微型微带天线的馈电网络电路框图

图5为本发明天线驻波特性仿真图

图6为本发明天线增益仿真图

图7-1至图7-7为本发明天线方向仿真图

图8-1至图8-7为本发明天线圆极化特性仿真图

图9-1至图9-2为本发明试样天线搜星试验接收卫星信号图

图中标记：1为辐射器、1-1为辐射器的顶面金属贴片、1-2为辐射器的陶瓷介质基材薄片、1-3为采用准分形结构的第二级对称金属贴片、W为陶瓷介质基材薄片长度、L为金属贴片长度、D₁为金属贴片的刻制分隔线宽度、D₂为金属贴片的刻制分隔线长度、2为激励器、2-1为激励器的正方形介质基体、2-2为封装在激励器介质基体内的倒L型耦合探针、2-3为倒L型耦合探针顶部的弯折段、3为馈电网络印制版、3-1为固定在馈电网络印制版上的馈电网络输入端口。

附图说明：由图5可以看出本天线在1.15-1.76GHz的宽频带范围内，驻波＜3，说明在宽带范围内具有较好配匹特性。

由图6可以看出天线的增益为-1dB，说明尽管本天线尺寸大幅度减小，但是其接收信号的能力下降不多。

图7-1至图7-7为天线方向仿真结果图。为了客观反映辐射特性的立体效果，在天线的方位面上每隔10°取样一次，共计取样12次，切出12个方向图。由这12个方向图可以看出它们的重合度相当好，说明该天线的半球形方向图是圆对称的，相对中心是稳定的。

从图8-1至图8-7的天线圆极化特性仿真结果示意图看出：本发明天线具有良好的广角圆极化特性，特别是在低仰角范围内广角圆极化特性更突出，有利于抑制多路径效应。

图9-1至图9-2是本发明试样天线在室外使用UbloxM8N板卡进行的搜星试验，搜索到北斗B1，GPSL1，GLONASSG1卫星导航信号。图中B7、B9、B14、B6、B10为我国北斗卫星B1导航信号，G10、G22、G18、G31、G12为美国GPSL1卫星导航信号，R19、R18、R2为俄罗斯GLONASSG1卫星导航信号。由于欧盟伽利略卫星导航系统尚未建成，本发明试样天线未搜索到其信号。但这已足以证实，本发明的新型宽带微型微带天线，已能兼容接收GPS、GLONASS和北斗卫星导航系统发射的信号，突破性地解决了不同的卫星导航系统只能配备使用单一的窄带微带天线，而不能兼容接收其它卫星导航系统信号的技术难题。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明作详细说明。

覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，由辐射器1、激励器2和馈电网络印制版

3组成；其中辐射器1由边长为18mm、厚度为1mm、介电常数Er为37的正方形陶瓷介质基材薄片1-2，以及印制在该陶瓷介质基材薄片1-2的正方形顶面上、边长为17mm的正方形金属贴片1-1与该陶瓷介质基材薄片1-2构成一体；

所述激励器2是装在辐射器1的底部，它是由与辐射器正方形陶瓷介质基材薄片1-2等边长、厚度为6mm、介电常数Er为16的正方形介质基体2-1，以及竖直封装在该介质基体2-1内的四根倒L型耦合探针2-2所组成，倒L型耦合探针2-2针体顶部的弯折段2-3与位于其顶部的辐射体金属贴片1-1相平行、倒L型耦合探针2-2针体底端装在该介质基体2-1下面的馈电网络印制板3上；

所述馈电网络是装在激励器2底部与其长宽尺寸相同的馈电网络印制版3，它是由一个180°电桥和两个90°电桥组成的具有一个输入端口3-1和四个输出端口的馈电网络，该馈电网络的四个输出端口，分别为激励器2中的四根倒L型耦合探针2-2提供等幅值、相位分别为0°、90°、180°、270°的信号电平。

实施例1采用准分形第一级贴片的全球卫星导航系统宽带微型微带天线

本天线由辐射器1、激励器2和馈电网络印制版3成一体组成。其中：辐射器1的正方形陶瓷介质基材薄片1-2的介电常数Er＝37、边长W＝18mm、厚度为1mm；印制在该陶瓷介质基材薄片1-2顶面上的辐射器正方形铜贴片1-1的长度L＝17mm。

对于长度为17mm的正方形铜贴片1-1，采用准分形结构的第一级贴片。即是自该贴片1-1各边的中心位置，分别沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制出具有相等宽度D₁＝1mm和相等长度为6.5mm的刻制分隔线，整块贴片被刻制成前后左右具有中心连体结构的四块形状大小相同的第一级铜贴片。

激励器2是装在辐射器1的底部，它是由与辐射器正方形陶瓷介质基材薄片1-2等边长、厚度为6mm、介电常数Er＝16的正方形介质基体2-1，以及竖直封装在该介质基体2-1内的四根倒L型耦合探针2-2所组成，倒L型耦合探针2-2针体顶部的弯折段2-3与位于其顶部的辐射体铜贴片1-1相平行、倒L型耦合探针2-2针体底端装在该介质基体2-1下面的馈电网络印制板3上；倒L型耦合探针2-2针体的弯折段2-3与顶部铜贴片间的耦合距离为1.1mm、倒L型耦合探针弯折段2-3的水平长度为4.9-5.2mm，针体的底端装在该介质基体2-1下面的馈电网络印制板3上。

馈电网络是装在激励器2底部与其长宽尺寸相同的馈电网络印制版3，它是由一个180°电桥和两个90°电桥组成的具有一个输入端口3-1和四个输出端口的馈电网络，该馈电网络的四个输出端口，分别为激励器2中的四根倒L型耦合探针2-2提供等幅值、相位分别为0°、90°、180°、270°的信号电平。

实施例2采用准分形第二级贴片的全球卫星导航系统宽带微型微带天线

本天线由辐射器1、激励器2和馈电网络印制版3成一体组成。其基本组成结构与实施例1基本相同。区别在于：印制在陶瓷介质基材薄片1-2顶面上的正方形铜贴片1-1，其刻制形状采用准分形结构的第二级贴片。即是针对第一级贴片中连体的前后左右四块贴片的每块贴片：对其外裸的相邻两边，自各边的中心位置沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制具有相等宽度D₁＝1mm和相等长度D₂₂＝2mm的两条刻制分隔线；对其内含的相邻两边，刻制位置与其外裸两边上的刻制分隔线相对应、具有对应相等宽度D₁＝1mm和长度D₂＝2mm的另两条刻制分隔线，结构上形成前后左右四角中心连体和各角上每块都具有四角中心连体、由16块形状大小相同的第二级铜贴片组成的辐射器的正方形铜贴片。

本实施例天线突破了现有卫星导航系统终端接收机窄带微带天线工作频率的瓶颈，其工作频率扩展到1150-1700MH_Z，将现有天线的100-150MH_Z带宽提高到550MH_Z带宽，使接收信号频率的带宽扩展了3.6-5.5倍。本案不加馈电网络的天线外形尺寸为：18mm×18mm×7mm，与现有天线尺寸相比较，大大缩小了天线的外形尺寸，实现了天线的微小型化。本案天线方向的仿真结果图表明：该天线的半球形方向是圆对称的，相对中心稳定。本案试样天线在室外搜星试验表明：已搜索到我国北斗B1，美国GPSL1，GLONASSG1卫星导航信号，天线设计是成功的。由于具有天线体积小、重量轻、性能可靠、用途广泛的特点，适于森林防火、登山旅游、轨道交通、高铁运输、关键设施的定位监测、通讯导航等部门应用。

Claims (6)

1.覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，由辐射器、激励器和馈电网络组成，其特征在于：其中辐射器由边长≤19mm、厚度≤1mm、介电常数Er为35-40的正方形陶瓷基材薄片，以及印制在该陶瓷基材薄片正方形顶面上、边长为17mm的正方形金属贴片与该陶瓷基材薄片构成一体；

所述激励器是装在辐射器的底部，它是由与辐射器正方形陶瓷基材薄片等边长、厚度≤6mm、介电常数Er为14-18的正方形介质基体，以及竖直封装在该介质基体内的四根倒L型耦合探针所组成，探针针体顶部的弯折段与位于其顶部的辐射体金属贴片平行、探针针体底端装在该介质基体下面的馈电网络印制板上；

所述馈电网络，是装在激励器底部与其长宽尺寸相同的馈电网络印制版，它是由一个180°电桥和两个90°电桥组成的具有一个输入端口和四个输出端口的馈电网络，该馈电网络的四个输出端口，分别为激励器中的四根激励探针提供等幅值、相位分别为0°、90°、180°、270°的信号电平。

2.按照权利要求1所述的覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，其特征在于：所述辐射器的正方形金属贴片，采用准分形结构的第一级贴片；即是自金属贴片各边的中心位置，分别沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制具有相等宽度D₁和相等长度的刻制分隔线，整块贴片被刻制成前后左右具有中心连体结构的四块形状大小相同的第一级对称贴片。

3.按照权利要求2所述的覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，其特征在于：所述辐射器的正方形金属贴片，采用准分形结构的第二级贴片；即是针对第一级贴片中连体的前后左右四块贴片的每块贴片：对其外裸的相邻两边，自各边的中心位置沿自边的垂线方向，向其左右两侧扩展刻制具有相等宽度D₁和相等长度D₂的两条刻制分隔线；对其内含的相邻两边，刻制位置与其外裸两边上的刻制分隔线相对应、具有对应相等宽度D₁和长度D₂的另两条刻制分隔线，结构上形成前后左右四角中心连体和各角上每块都具有四角中心连体、由16块形状大小相同的第二级贴片组成的辐射器的正方形金属贴片。

4.按照权利要求2所述覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，其特征在于：所述采用准分形结构的第一级贴片，其刻制分隔线的宽度D₁为1mm、长度为6.5-7.0mm。

5.按照权利要求3所述覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，其特征在于：所述采用准分形结构的第二级贴片，在其每块连体的第一级贴片上，外裸的相邻两边中心位置的刻制分隔线，以及与其对应的内含相邻两边的刻制分隔线，宽度D₁为1mm、长度D₂为2mm。

6.按照权利要求1所述覆盖全球卫星导航系统的宽带微型微带天线，其特征在于：所述激励器的耦合探针与贴片间的耦合距离为1.0-1.1mm，耦合探针的弯折段长度为4.9-5.2mm。