CN105811099A - 一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，所述小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体设置有辐射基板，所述辐射基板为印刷电路板，有四个扇形小辐射片；所述辐射基板的下方设置有馈电筒；所述馈电筒的下方设置有馈电网络基板，所述馈电筒上采用四个三角形馈电片为扇形小辐射片馈电；馈电网络基板为印刷电路板，所述馈电网络基板的上表面为串联馈电线，抗多径干扰腔体位于馈电网络基板的外围；所述馈电网络基板的下表面为金属地板。本发明采用扇形小辐射片、三角形馈电片以及小型串联馈电线，同时实现了卫星导航天线的小尺寸、宽频带和高效率，同时，抗多径干扰腔体可以在小尺寸下，解决卫星导航天线来自水平面的多径干扰问题。

Description

一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体。

背景技术

卫星导航技术是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。目前主要的全球卫星导航系统包括四种：美国的全球定位系统、欧盟的伽利略系统、俄罗斯的格洛纳斯系统以及中国的北斗卫星导航系统。随着导航设备的小型化、便携化的发展趋势，对移动导航终端的导航天线也不断提出更高要求，小尺寸、高性能以及抗干扰是发展的目标。众所周知，天线在其尺寸和性能之间存在着矛盾，天线尺寸的缩小往往要以牺牲部分性能为代价。而导航天线迫切的需要在小尺寸下获得更好的圆极化性能以及更高的效率。同时，对抗来自水平地面反射的多径干扰也一直是导航天线的任务之一。因此，为了解决这些制约导航天线发展的问题，需要提出新型的卫星导航天线技术。传统的卫星导航天线形式包括：四臂螺旋天线、十字交叉天线、以及微带天线。四臂螺旋天线是一种性能优良的圆极化天线，其结构简单，容易制造，但其天线高度大，最少为0.25λ，即使通过介质加载等措施缩小尺寸，天线高度也难以小于0.1λ，并且要以牺牲天线效率和带宽为代价。十字交叉天线是采用两个正交放置的半波振子，并馈以等幅和90°相差的激励而实现的，该天线结构简单，但必须放置在金属地板上才能实现单向辐射，因此天线高度通常为0.25λ～0.5λ，并且金属地板的直径也要达到0.5λ，如果降低天线高度，天线方向图将发生严重恶化，阻抗匹配也非常困难。微带天线是一种低剖面天线，具有先天的高度优势，通常高度都小于0.1λ，很适合移动载体的应用。但微带天线的横向尺寸大，通常为0.5λ～0.8λ，为了缩小天线的而横向尺寸，业界常采用高介电常数的微波材料，在增加了生产成本的同时，天线带宽也会严重下降，天线效率也会降低。因此，如何解决这些问题是微带天线应用于卫星导航的关键。此外，微带天线在水平方向的辐射能力很弱，圆极化性能也不理想，使得天线的抗多径干扰能力很弱，为了解决这一问题，需要增加额外的抑制地板结构。目前，已有的措施包括几种变形的地板结构，有扼流环地板、非截止波纹地板、介质填充扼流环地板、电磁带隙地板以及十字板反射器，这些地板结构都可以不同程度的减小圆极化天线在低仰角方向的交叉极化，但同时它们的尺寸都过于庞大，其中尺寸最小的是十字板反射器，其外形尺寸也达到了0.777λ×0.777λ×0.123λ，并不能很好的满足小型移动载体的卫星导航需求。因此，亟需研制出适合于小型卫星导航天线的小尺寸抗多径干扰地板。

传统的卫星导航天线存在结构简单，采用的微带天线横向尺寸大，在水平方向的辐射能力很弱，圆极化性能也不理想，使得天线的抗多径干扰能力很弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，旨在解决传统的卫星导航天线在尺寸与性能之间的矛盾，在小尺寸下可以改善卫星导航圆极化天线圆极化辐射特性，提高辐射效率和工作带宽，增强天线的抗多径干扰能力。

本发明是这样实现的，一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，所述小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体设置有辐射基板，所述辐射基板为印刷电路板，有四个扇形小辐射片；所述辐射基板的下方设置有馈电筒；所述馈电筒的下方设置有馈电网络基板，所述馈电筒上采用四个三角形馈电片为扇形小辐射片馈电；馈电网络基板为印刷电路板，所述馈电网络基板的上表面为串联馈电线，抗多径干扰腔体位于馈电网络基板的外围；所述馈电网络基板的下表面为金属地板。

进一步，所述四个扇形小辐射片中心对称分布，四个扇形小辐射片采用四个等幅且90°相差源激励。

进一步，采用无电阻的小型串联馈电线为天线提供圆极化馈电；

所述串联馈电线的中心连接馈电端口，所述串联馈电线上相距四分之一介质波长的位置依次引出四个连接端口；

所述四个连接端口分别与所述三角形馈电片的下端连接。

进一步，所述抗多径干扰腔体的外延采用弯折线形状构成。

进一步，所述馈电网络基板的下方设置有射频接头，射频接头与馈电网络基板上的馈电点连接；

所述射频接头的内芯穿过所述馈电网络基板的介质层，与串联馈电线中心连接，所述射频接头的外皮与所述金属地板连接。

进一步，所述馈电筒为柔性印刷电路板，筒壁上附有四个三角形馈电片。

进一步，所述四个三角形馈电片的上端分别与所述四个扇形小辐射片连接。

进一步，所述三角形馈电片的中部有短路枝节，所述短路枝节与金属地板相连。

本发明提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，与现有技术相比较，本发明的微带辐射片采用四个中心对称分布的扇形小辐射片组成，当四个扇形小辐射片采用四个等幅且90°相差的源激励时，可以在天线辐射片的法向得到良好的圆极化辐射；四个扇形小辐射片之间的间隙很小，其间存在强烈的耦合作用，当改变这一间隙的宽度时，在天线外形尺寸不变的情况下，可以明显改变天线的谐振频率，实验表明当间隙减小时，谐振频率可以显著降低，从而减小天线的电尺寸。包括地板在内，整个天线的典型直径为0.25λ，天线厚度小于0.07λ，这一天线尺寸明显小于传统圆极化微带天线，并且天线的半功率波束宽度也达到110°。由于天线尺寸减小以及引入耦合结构，天线的品质因数Q会升高，天线的工作带宽会减小，不利于小型圆极化天线的使用。本发明采用了馈电筒结构可以改善天线的工作带宽，馈电筒上采用四个三角形馈电片为扇形小辐射片馈电，三角形馈电片具有阻抗缓变特性，可以使扇形小辐射片的输入阻抗起伏变缓，有效增加天线的工作带宽。同时，三角形辐射片上的短路枝节可以引入新的零阶谐振点，改善天线的输入阻抗特性，从而解决小型天线的阻抗匹配问题。传统的圆极化微带天线，在不使用电阻元件的情况下，天线带宽仅有5％，而本发明天线的阻抗带宽可以达到19.2％，轴比带宽可以达到8.7％。为了解决小型圆极化天线效率低下的问题，本发明采用无电阻的小型串联馈电线为天线提供圆极化馈电。传统圆极化微带天线采用功分器或电桥网络馈电，其上包含隔离电阻或吸收电阻等有耗元件，虽然这些网络的使用可以增加天线带宽，但其以牺牲天线效率为代价。这对于卫星导航天线是很可惜的，因为卫星信号通常都非常微弱，需要高效率的天线将其接受并放大，天线效率和增益非常珍贵。小型串联馈电线的结构紧凑、频带宽，由于没有电阻的参与，馈电效率大大提高，可使天线整体辐射效率达到95％以上。本发明包括一种小型的抗多径干扰腔体，腔体的高度很低，可以与卫星导航天线高度相同，腔体直径不到0.45λ。腔体的外延采用弯折线形状构成，弯折线结构可以改善水平方向电磁波两正交分量的功分比和相位差，使功分比接近1，相位差接近90°，从而改善卫星导航天线在低仰角方向的圆极化特性，并抑制天线在低仰角方向的交叉极化，达到良好对抗多径干扰的目的。

综上所述，由于采用了扇形小辐射片、三角形馈电片以及小型串联馈电线，因此，本发明天线同时实现了卫星导航天线的小尺寸、宽频带和高效率，同时，抗多径干扰腔体可以在小尺寸下，解决卫星导航天线来自水平面的多径干扰问题。

附图说明

图1是本发明实施例提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体结构示意图。

图2是本发明实施例提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体的小型卫星导航天线分解图。

图3是本发明实施例提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体的抗多径干扰腔体结构图。

图4是本发明实施例提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体的馈电网络基板俯视图。

图5是本发明实施例提供的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体的侧视截面图。

图6是本发明实施例提供的天线的电压驻波比曲线图。

图7是本发明实施例提供的天线的轴比和辐射效率曲线图。

图8是本发明实施例提供的天线在有无抗多径干扰腔体时的俯仰面方向图。

图9是本发明实施例提供的天线在有无抗多径干扰腔体时的俯仰面轴比方向图。

图10是本发明实施例提供的天线的增益曲线图。

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。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

请参考图1～图5，本发明一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其包括辐射基板1，辐射基板1位于天线的最上层，辐射基板1采用印刷电路工艺制造，其上附有四个扇形小辐射片101；馈电筒2，馈电筒2位于辐射基板1的下方，并与辐射基板1相连，馈电筒2采用柔性印刷电路板制造，其筒壁上附有四个三角形馈电片201，四个三角形馈电片201的上端分别与所述四个扇形小辐射片101连接；三角形馈电片201的中部有短路枝节202，短路枝节202穿过馈电网络基板3的介质层，与金属地板304相连；馈电网络基板3，馈电网络基板3位于馈电筒2的下方，与馈电筒2相连，馈电网络基板3采用印刷电路工艺制造，馈电网络基板3的上表面为串联馈电线301，下表面为金属地板304，串联馈电线301的中心连接馈电端口302，串联馈电线上相隔四分之一介质波长的位置依次引出四个连接端口303，四个连接端口303分别与三角形馈电片202的下端连接；抗多径干扰腔体4，抗多径干扰腔体4位于馈电网络基3的外围，抗多径干扰腔体4的底面401与金属地板304紧密贴合，抗多径干扰腔体4为金属材质，抗多径干扰腔体4的截面形状为弯折线402，弯折的次数为两次；射频接头5，射频接头5位于馈电网络基板4的下方，穿过抗多径干扰腔体4中心的通孔403，射频接头5的内芯穿过馈电网络基板的介质层，与串联馈电线301中心连接，射频接头5的外皮与金属地板304连接。

四个扇形小辐射片101之间的间隙存在强烈的耦合作用，改变间隙的宽度可以明显改变天线的谐振频率，实验表明间隙宽度为2～6mm时，可以取得很低的谐振频率，从而显著减小天线的电尺寸。

四个三角形馈电片201为阻抗缓变结构，其上端与四个扇形小辐射片101连接并构成一个整体，从而改善了四个扇形小辐射片101的输入阻抗平坦性，为增加天线工作频带提供了基础。

短路枝节202位于三角形馈电片201中部的合适位置时，可以解决小型天线的阻抗匹配问题，实验表明短路枝节202距离三角形馈电片201的馈电点为12～18mm时，天线匹配良好。

抗多径干扰腔体4的作用是圆极化改善器，当非圆极化波传输到多径干扰抑制腔体时，非圆极化波的两正交分量将被重新调制，使得两正交分量的幅度接近，相位差接近90°，使得多径干扰抑制腔体的出射波具有良好的圆极化特性，达到抑制低仰角方向交叉极化的目的。

本发明天线的工作过程是这样的，发射信号时，当激励信号从串联馈电线301上的馈电端口302送入时，电流沿串联馈电线传输，经过能量分配以及相位延迟，分为四路等幅90°相差的信号从四个连接端口303输出，四个连接端口303再将电流送入四个三角馈电片201的下端，电流沿三角馈电片流动至四个扇形小辐射片101，四个扇形小辐射片发生相互作用后向外发生辐射，形成垂直方向的圆极化波，水平方向的辐射波经过抗多径干扰腔体4变为理想的圆极化波，至此在整个上半空间均得到了理想的圆极化波。接收信号时，过程与发射时相反，辐射波从四个扇形小辐射片101和抗多径干扰腔体4的外围射入，最终汇成一路从馈电端口输出。

多项技术共同实施，可使卫星导航天线的厚度小于0.07λ，直径小于0.25λ，抗多径干扰腔体直径小于0.45λ，同时天线还具有高效率、宽频带、宽波束以及抗多径干扰的特点。

下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。

1、仿真内容

利用电磁仿真软件对上述实施例天线的电压驻波比、轴比、方向图和增益进行了仿真，请参考图6至图10。

2、仿真结果

图6是对实施例天线仿真得到的电压驻波比随工作频率变化的曲线。可以看出，电压驻波比≤2的范围为1.084～1.314GHz，中心频率1.199GHz，绝对带宽230MHz。计算结果表明本发明天线可以在19.2％的相对带宽内良好匹配，在小型微带天线中属于宽带特性，该特性可以满足卫星导航工作频段的需求。

图7是对实施例天线仿真得到的法线方向轴比和辐射效率随工作频率变化的曲线。从图7可以看出，本发明天线的轴比≤3dB的范围为1.143～1.247GHz，中心频率1.195GHz，绝对带宽104MHz。计算结果表明本发明天线可以在8.7％的相对带宽保持良好的圆极化，可以满足卫星导航的工作频带要求。从效率曲线可以看出，在这一频带内，天线的辐射效率大于95％。天线在小尺寸下，既能获得这样的圆极化带宽，同时还具有高的辐射效率，是非常优良的天线性能，可以提升卫星导航的信号质量，提高信号接收的灵敏度。

图8是对实施例天线仿真得到的俯仰面方向图。图中包括了小型卫星导航天线在有无抗多径干扰腔体时的主极化和交叉极化方向图。从图上可以看出，本发明天线的3dB波束宽度达到110°，抗多径干扰腔体对主极化方向图几乎没有影响。而交叉极化受抗多径干扰腔体的影响很大，交叉极化在全空间都得到了改善，尤其在上半空间改善很明显。在水平方向时，交叉极化电平从-10.5dB下降到-26.1dB，改善量达15.6dB。交叉极化电平的降低可以明显抑制来自于地面反射的多径干扰，提高卫星导航天线的抗干扰能力，从而大幅度提高导航信号的接收质量。

图9是对实施例天线仿真得到的俯仰面轴比方向图。图中包括了小型卫星导航天线在有无抗多径干扰腔体时的轴比方向图。从图上可以看出，本发明天线在抗多径干扰腔体的作用下轴比波束宽度显著增加，从之前的106°(±53°)增加到192°(±96°)，因此天线在θ＝53°～96°的范围内，圆极化特性被明显改善。良好的圆极化特性表明天线的极化纯度高，可以大幅提高卫星导航天线在低仰角方向的接收效果。导航卫星在地球表面的上半空间出现概率接近，低仰角圆极化性能的改善可以更充分利用来自近地方向的卫星信号，卫星导航设备的性能将得到加强。

图10是对实施例天线仿真得到的增益随频率变化曲线。从图上可以看出，在整个频带内，增益的变化都比较平坦，这是由串联馈电网络带来的好处。在1.143～1.247GHz的工作频带内，主极化增益均高于4.9dBic，最大值达到5.2dBic。该增益高于传统的小型卫星导航天线增益，有利于接收信号的放大，提高系统信噪比。

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 (8)

1.一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体设置有辐射基板，所述辐射基板为印刷电路板，有四个扇形小辐射片；所述辐射基板的下方设置有馈电筒；所述馈电筒的下方设置有馈电网络基板，所述馈电筒上采用四个三角形馈电片为扇形小辐射片馈电；馈电网络基板为印刷电路板，所述馈电网络基板的上表面为串联馈电线，抗多径干扰腔体位于馈电网络基板的外围；所述馈电网络基板的下表面为金属地板。

2.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述四个扇形小辐射片为中心对称分布，四个扇形小辐射片采用四个等幅且90°相差源激励。

3.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，采用无电阻的小型串联馈电线为天线提供圆极化馈电；

所述串联馈电线的中心连接馈电端口，所述串联馈电线上相距四分之一介质波长的位置依次引出四个连接端口；

所述四个连接端口分别与所述三角形馈电片的下端连接。

4.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述抗多径干扰腔体的外延采用弯折线形状构成。

5.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述馈电网络基板的下方设置有射频接头，射频接头与馈电网络基板上的馈电点连接；

所述射频接头的内芯穿过所述馈电网络基板的介质层，与串联馈电线中心连接，所述射频接头的外皮与所述金属地板连接。

6.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述馈电筒为柔性印刷电路板，筒壁上附有四个三角形馈电片。

7.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述四个三角形馈电片的上端分别与所述四个扇形小辐射片连接。

8.如权利要求1所述的小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体，其特征在于，所述三角形馈电片的中部有短路枝节，所述短路枝节与金属地板相连。