CN105762534A - 宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列。该天线阵列以双频圆极化层叠微带天线为单元，采用36个单元均匀分布在等间距的三个圆环，天线阵列的馈电网络采用微带圆环形式，同一圆环上各天线单元的激励等幅同相。通过各单元激励幅度和相位的加权来实现马鞍形方向图，达到等功率辐射的目的。天线单元共有四层：由下到上分别是两层介质层、两层泡沫层；两层介质层中间共用金属地板，金属地板开有十字缝隙，两个终端开路的微带线对称分布于十字缝隙的上下两侧；两个辐射圆贴片分别位于两层泡沫层的上表面，两圆贴片的圆心在一条垂直线上。馈电网络采用微带圆环形式，保证了每一圆环上的天线单元所加激励等幅同相。

Description

宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列

技术领域

本发明涉及微带天线阵列领域，特别是一种宽角度高增益卫星导航系统星载低剖面天线阵列。

背景技术

随着社会的发展，卫星导航系统的应用越来越广泛，从而带动了对卫星终端天线的深入研究。北斗一代卫星导航系统采用的螺旋天线，体积较大；北斗二代卫星采用的L/S收发共用偏置反射面赋形波束天线，虽然频点多，但存在多天线叠放的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现马鞍形方向图的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，剖面低、重量轻、圆极化、双频带。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，采用36个双频圆极化层叠微带天线单元，第1～6共6个天线单元均匀分布在最里层的圆环上，第7～18共12个天线单元均匀分布在中间层的圆环上，第19～36共18个天线单元均匀分布在最外层的圆环上，三个圆环等间距分布，天线阵列的馈电网络采用微带圆环形式，同一圆环上各天线单元的激励等幅同相。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用双频圆极化层叠微带天线作为北斗发射天线阵的单元，可以实现低剖面、圆极化、双频带的特性；(2)采用微带馈电，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于运用印刷电路技术进行批量生产，而且能够和有源器件及电路集成为单一的模块；(3)在空间结构上，减小了一维的尺寸，其平面结构易于共形，电性能设计灵活，易于实现圆极化、双频或多频工作，体积小，重量轻。

附图说明

图1是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的排布图。

图2是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的天线单元结构图，其中(a)为天线单元的侧视图、(b)为下微带线层21的俯视图、(c)为金属地板22的俯视图、(d)为上微带线层31的俯视图、(e)为第一圆形金属贴片41的俯视图、(f)为第二圆形金属贴片51的俯视图。

图3是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的馈电网络示意图。

图4是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列方向图，其中(a)为低频(1.227GHz)方向图、(b)为高频(1.575GHz)方向图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，该天线以双频圆极化层叠微带天线为单元，采用36个单元，通过合理的布局，以及各单元激励相位和幅度的加权来实现马鞍形方向图。天线单元采用一种双频圆极化层叠微带天线，天线单元共有四层：由下到上分别是两层介质层、两层泡沫层；两层介质层中间共用金属地板，金属地板开有十字缝隙，两个终端开路的微带线对称分布于十字缝隙；两个辐射圆贴片分别位于两层泡沫层的上表面，两圆贴片的圆心在一条垂直线上。该单元可以实现双频、圆极化的特性。对应于阵列天线单元的分布，馈电网络同样有三个圆环，分别通过过孔和对应天线单元的输入端口相连，整个阵列的输入端口位于馈电网络的中心。

结合图1，本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，采用36个双频圆极化层叠微带天线单元，第1～6共6个天线单元均匀分布在最里层的圆环上，第7～18共12个天线单元均匀分布在中间层的圆环上，第19～36共18个天线单元均匀分布在最外层的圆环上，三个圆环等间距分布，天线阵列的馈电网络采用微带圆环形式，同一圆环上各天线单元的激励等幅同相。图中第①～⑥共6个单元均匀分布在最里层的圆环上，第8共12个单元均匀分布在中间层的圆环上，第共18个单元均匀分布在最外层的圆环上；天线单元共有四层，由下到上分别是：第一介质层2，第二介质层3，第一泡沫层4，第二泡沫层5。

结合图2，天线单元共有4层，由下到上依次为：第一介质层2、第二介质层3、第一泡沫层4、第二泡沫层5：其中第一介质层2和第二介质层3中间共用金属地板22，金属地板22上开有十字缝隙221和耦合缝隙222；第一介质层2的下表面设有下微带线层21，第二介质层3的上表面设有上微带线层31，下微带线层21和上微带线层31分别设置一个终端开路的微带线，该两个终端开路的微带线垂直分布于十字缝隙221的两侧；下微带线层21还设有下层耦合微带线216，上微带线层31还设有上层耦合微带线316，下层耦合微带线216和上层耦合微带线316通过耦合缝隙222形成定向耦合器，下层耦合微带线216的两端分别为天线输入端口214和直通端口215，上层耦合微带线316的两端分别为耦合端口314和隔离端口315，天线输入端口214与下微带线层21中终端开路的微带线相接、隔离端口315与上微带线层31中终端开路的微带线相接，下微带线层21和上微带线层31中信号有90°的相位差实现圆极化；第一泡沫层4的上表面设有第一圆形金属贴片41、第二泡沫层5的上表面设有第二圆形金属贴片51，第一圆形金属贴片41和第二圆形金属贴片51的圆心在一条垂直线上。

所述下微带线层21和上微带线层31分别设置一个终端开路的微带线，该两个终端开路的微带线尺寸相同，其中下微带线层21中终端开路的微带线具体为：由第一微带线211过渡到第二微带线212，第二微带线212末端对称连接两条终端开路的第三微带线213；上微带线层31中终端开路的微带线具体为：由第四微带线311过渡到第五微带线312，第五微带线312末端对称连接两条终端开路的第六微带线313；所述第一微带线211与直通端口214相接，第四微带线311与耦合端口314相连。

所述第一微带线211和第四微带线311均为50Ω，第二微带线212和第五微带线312均为100Ω。所述下层耦合微带线216、上层耦合微带线316以及耦合缝隙222的中心在一条垂直线上。

所述第一介质层2，其下表面为下微带线层21，由50Ω第一微带线211过渡到阻抗为100Ω的第二微带线212，第二微带线212末端对称连接两条终端开路的第三微带线213，金属地板22为第一介质层2和第二介质层3共用的金属地板，金属地板22的中间开有十字缝隙221；所述第二介质层3，其上表面为上微带线层31，由50Ω第四微带线311过渡到阻抗为100Ω的第五微带线312，第五微带线312末端对称连接两条终端开路的第六微带线313；述介第一质层2下表面为下微带线层21和第二介质层3上表面为上微带线层31垂直放置，并且尺寸完全相同；所述第一泡沫层4，其上表面为第一圆形金属贴片41，所述第二泡沫层5，其上表面为第二圆形金属贴片51。

结合图3，微带馈电网络11位于天线单元的第一介质层2下面的介质层1的下表面，对应于阵列天线单元的分布，微带馈电同样有三个圆环，最里面一圈的第一～六过孔f1～f6分别和第1～6天线单元的输入端口214相连，中间一圈第七～十八过孔f7～f18分别和第7～18天线单元的输入端口214相连，最外面一圈第十九～三十六过孔f19～f36分别和第19～36天线单元的输入端口214相连；整个阵列天线单元的输入端口f0位于馈电网络的中心。

本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的参数设计过程如下：

(一)优化双频圆极化层叠微带天线单元，首先根据天线工作频段来确定第一圆形金属贴片41和第二圆形金属贴片51的半径R，具体公式如下：

$R_{\mathrm{equ}}=\frac{8.791}{f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

$R_{\mathrm{equ}}=R{[1+\frac{2h}{\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_r}(\ln \frac{\mathrm{\πR}}{2h}+1.7726)]}^{1/2}$

式中，R_equ为圆形金属贴片的等效半径，f_r为天线的谐振频率，ε_r为介质的介电常数，h为介质的高度。

(二)调整阵列单元下微带线层21和上微带线层31的尺寸，使得馈线与天线的输入阻抗匹配。

(三)通过调整天线单元的布局，以及各单元激励的幅度和相位的加权来实现马鞍形方向图。

(四)优化天线阵列的馈电网络，使得每一圈天线单元所获得的激励等幅度同相位。

实施例

结合图1本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的排布图。设计了一个北斗导航卫星系统发射天线阵列：频段范围：1156-1298.5MHz，1555-1595MHz；边缘覆盖角度为±13°；增益要求：±13°处≥14dB，在±13°范围内最大2dB波动；尺寸要求≤1.3m。

图1是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的排布图。以第①～⑥共6个单元均匀分布在最里层的圆环上，第共12个单元均匀分布在中间层的圆环上，第共18个单元均匀分布在最外层的圆环上，相邻圆环之间的距离为0.192m。整个天线阵列的直径为1.15m。

图2是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的天线单元的侧视图。双频圆极化层叠微带天线单元共有四层，由下到上分别是：介质层2，介电常数为2.2，厚度为0.508mm；介质层3，介电常数为3.38，厚度为1.5mm；泡沫层4，厚度为13mm；泡沫层5，厚度为13.5mm。整个天线单元的尺寸为115mm×115mm×41.5mm。

图3是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列的馈电网络示意图。所述天线阵列的馈电网络，有三个微带圆环，最里面一圈过孔f1～f6分别和天线单元①～⑥的输入端口214相连，中间一圈过孔f7～f18分别和天线单元的输入端口214相连，最外面一圈过孔(f19)～(f36)分别和天线单元的输入端口(214)相连；整个阵列的输入端口(f0)位于馈电网络的中心。

图4是本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列马鞍形方向图。天线阵工作在1156-1298.5MHz，1555-1595MHz两个频段，因此分别给出了低频点(1.227GHz)和高频点(1.575GHz)的方向图，可以看出低频点的方向图已经满足设计指标。

综上所述，本发明宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，以双频圆极化层叠微带天线为单元，采用36个单元，通过合理的布局，以及各单元激励相位和幅度的加权来实现马鞍形方向图。天线单元采用微带结构，馈电网络可与天线结构一起制成，适用于运用印刷电路技术进行批量生产，而且能够和有源器件及电路集成为单一的模块。整个天线阵列可以实现宽角度、高增益、圆极化、双频带、低剖面、重量轻的特性。

Claims (7)

1.一种宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，采用36个双频圆极化层叠微带天线单元，第1～6共6个天线单元均匀分布在最里层的圆环上，第7～18共12个天线单元均匀分布在中间层的圆环上，第19～36共18个天线单元均匀分布在最外层的圆环上，三个圆环等间距分布，天线阵列的馈电网络采用微带圆环形式，同一圆环上各天线单元的激励等幅同相。

2.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，天线单元共有4层，由下到上依次为：第一介质层(2)、第二介质层(3)、第一泡沫层(4)、第二泡沫层(5)：其中第一介质层(2)和第二介质层(3)中间共用金属地板(22)，金属地板(22)上开有十字缝隙(221)和耦合缝隙(222)；第一介质层(2)的下表面设有下微带线层(21)，第二介质层(3)的上表面设有上微带线层(31)，下微带线层(21)和上微带线层(31)分别设置一个终端开路的微带线，该两个终端开路的微带线垂直分布于十字缝隙(221)的两侧；下微带线层(21)还设有下层耦合微带线(216)，上微带线层(31)还设有上层耦合微带线(316)，下层耦合微带线(216)和上层耦合微带线(316)通过耦合缝隙(222)形成定向耦合器，下层耦合微带线(216)的两端分别为天线输入端口(214)和直通端口(215)，上层耦合微带线(316)的两端分别为耦合端口(314)和隔离端口(315)，天线输入端口(214)与下微带线层(21)中终端开路的微带线相接、隔离端口(315)与上微带线层(31)中终端开路的微带线相接，下微带线层(21)和上微带线层(31)中信号有90°的相位差实现圆极化；第一泡沫层(4)的上表面设有第一圆形金属贴片(41)、第二泡沫层(5)的上表面设有第二圆形金属贴片(51)，第一圆形金属贴片(41)和第二圆形金属贴片(51)的圆心在一条垂直线上。

3.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，所述下微带线层(21)和上微带线层(31)分别设置一个终端开路的微带线，该两个终端开路的微带线尺寸相同，其中下微带线层(21)中终端开路的微带线具体为：由第一微带线(211)过渡到第二微带线(212)，第二微带线(212)末端对称连接两条终端开路的第三微带线(213)；上微带线层(31)中终端开路的微带线具体为：由第四微带线(311)过渡到第五微带线(312)，第五微带线(312)末端对称连接两条终端开路的第六微带线(313)；所述第一微带线(211)与直通端口(214)相接，第四微带线(311)与耦合端口(314)相连。

4.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，所述第一微带线(211)和第四微带线(311)均为50Ω，第二微带线(212)和第五微带线(312)均为100Ω。

5.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，所述下层耦合微带线(216)、上层耦合微带线(316)以及耦合缝隙(222)的中心在一条垂直线上。

6.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，所述第一泡沫层(4)，其上表面为第一圆形金属贴片(41)；所述第二泡沫层(5)，其上表面为第二圆形金属贴片(51)，第一圆形金属贴片(41)和第二圆形金属贴片(51)的半径R根据以下公式确定：

$R_{\mathrm{equ}}=\frac{8.791}{f_r\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}$

$R_{\mathrm{equ}}=R{[1+\frac{2h}{\mathrm{\πR}{\mathrm{\ϵ}}_r}(\ln \frac{\mathrm{\πR}}{2h}+1.7726)}^{1/2}$

式中，R_equ为圆形金属贴片的等效半径，f_r为天线的谐振频率，ε_r为介质的介电常数，h为介质的高度。

7.根据权利要求1所述的宽角度高增益北斗导航系统星载低剖面天线阵列，其特征在于，所述微带馈电网络(11)位于天线单元的第一介质层(2)下面的介质层(1)的下表面，对应于阵列天线单元的分布，微带馈电同样有三个圆环，最里面一圈的第一～六过孔(f1～f6)分别和第1～6天线单元的输入端口(214)相连，中间一圈第七～十八过孔(f7～f18)分别和第7～18天线单元的输入端口(214)相连，最外面一圈第十九～三十六过孔(f19～f36)分别和第19～36天线单元的输入端口(214)相连；整个阵列天线单元的输入端口(f0)位于馈电网络的中心。