CN105846057A - 一种星载偏波束设计的gnss大气掩星天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，包括：覆盖两个频段的贴片、若干个阵元和若干层复合介质板，所述的贴片印制于复合介质板上，所述的阵元附于贴片上，其通过设有的探针进行馈电，并通过未印制贴片的复合介质板上设计的馈电网络形成偏置的波束，用于采集GNSS信号。所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵。本发明的GNSS大气掩星天线通过采用偏波束设计可以形成地球赋形波束，更利于掩星事件接收；另外，还可以省掉天线倾斜安装所需的支架，从而省去了天线支架重量，并减小卫星的包络尺寸。

Description

一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线

技术领域

本发明涉及空间探测仪器领域，具体涉及一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线。

背景技术

星载GNSS无线电掩星探测仪通过低轨卫星接收GNSS卫星发射的信号，该信号穿过大气，会产生附加的相位延迟。然后，接收机通过测量该附加相位延迟，再通过地面反演，最终可以获得信号传输路径的大气温湿压廓线。通常用于GNSS无线电掩星探测的大气掩星天线会相对于卫星坐标轴倾斜二十几度安装以保证正确的指向，该角度一般通过天线搭设的支架实现偏转。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用偏波束设计的GNSS大气掩星天线，适用于星载GNSS无线电掩星探测领域，该天线采用偏波束设计，使得天线不用倾斜安装，为卫星省去了天线支架重量，并减小卫星的包络尺寸。

为实现上述目的，本发明提供的一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，包括：覆盖两个频段的贴片、若干个阵元和若干个复合介质板，所述的贴片印制于复合介质板上，所述的阵元附于贴片上，其通过设有的探针进行馈电，并通过未印制贴片的复合介质板上设计的馈电网络形成偏置的波束，用于采集GNSS信号；所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵。

作为上述技术方案的进一步改进，所述相邻的两个阵元之间相差的计算公式为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dcos\mathrm{\θ}$

其中，d为相邻阵元的间距，θ表示扫描角度，λ为接收频率对应的自由空间波长，λ_g表示复合介质板的介质波长，ε_γ表示复合介质板的介电常数。

作为上述技术方案的进一步改进，所述若干个复合介质板包括由上至下叠放的第一复合介质板、第二复合介质板、第三复合介质板、第四复合介质板和第五复合介质板；所述的第一复合介质板作为天线的盖板，所述的第二层复合介质板上印制有高频辐射贴片，用于接收高频段的GNSS信号，所述的第三层复合介质板上印制有低频辐射贴片，用于接收低频段的GNSS信号；所述的高频辐射贴片和低频辐射贴片均附有4个阵元组成的1×4等幅不同相的均匀阵列天线；所述的第四层复合介质板上印制有馈电网络，并与第五层复合介质板共同组成带状线馈电网络。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括金属底板，所述的金属底板通过螺钉将各层复合介质板固定在一起。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的高频辐射贴片的工作频率为1575.42MHz和1561.098MHz；所述的低频辐射贴片的工作频率为1227.6MHz和1207.14MHz。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的第二层复合介质板通过90°相差的两根探针与第四复合介质板焊接在一起，使得第二层复合介质板上的各阵元采用探针直接馈电；所述的第三层复合介质板通过第二层复合介质板与第四层复合介质板之间焊接的探针，以耦合的形式与第四层复合介质板连接，使得第三层复合介质板上的各阵元为耦合馈电。

本发明的一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线优点在于：

本发明的GNSS大气掩星天线中阵元输入的功率均相等，且相邻阵元单元之间相对相差均差一个固定值，从而形成阵列波束偏置，而偏波束设计可以形成地球赋形波束，更利于掩星事件接收；另外，还可以省掉天线倾斜安装所需的支架，从而省去了天线支架重量，并减小卫星的包络尺寸。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线结构示意图。

图2为本发明实施例中的第三复合介质板的结构示意图。

附图标记

1、第一层复合介质板 2、第二层复合介质板

3、第三层复合介质板 4、第四层复合介质板

5、第五层复合介质板 6、金属地板

7、螺钉

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线进行详细说明。

本发明提供的一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，包括：覆盖两个频段的贴片、若干个阵元和若干个复合介质板，所述的贴片印制于复合介质板上，所述的阵元贴附于贴片上，其通过设有的探针进行馈电，并通过未印制贴片的复合介质板上设计的馈电网络形成偏置的波束，用于采集GNSS信号；所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵。

基于上述结构的GNSS大气掩星天线，如图1所示，在本实施例中，星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，是由4个阵元单元组成的1×4等幅不同相的均匀阵列天线。根据每个阵元馈电相位不同而形成波束的偏置。

星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线具体由五层复合介质板和金属底板构成，复合介质板的介电常数为2.94，金属底板为牌号为2A12的铝合金。第一层复合介质板1上无电路，作为天线的盖板；第二层复合介质板2上印制有高频辐射贴片(其工作频率为1575.42MHz、1561.098MHz)，用于接收高频段的GNSS信号；第三层复合介质板3上印制有低频辐射贴片(其工作频率为1227.6MHz、1207.14MHz)，用于接收低频段的GNSS信号；第四层复合介质板4上印制有馈电网络，与第五层复合介质板5共同组成带状线馈电网络。该馈电网络的输出端可连接SMA接头，作为整个天线的输出端口。各层复合介质板材和金属底板6之间可用螺钉7固定，起结构支撑作用。上述GNSS大气掩星天线通过采用双频层叠式微带天线形式，可分别覆盖GPS及BDS系统的高低两个频段。即1575.42MHz和1227.6MHz的两个频率适用于GPS系统的工作频段，而1561.098MHz和1207.14MHz的两个频率适用于BDS系统的工作频段，实现了GPS/BDS的兼容。

上述天线为双频段工作，因此利用双层贴片结构，其中高频辐射贴片上的天线阵元采用探针直接馈电，利用90°相差的两根馈电探针来实现天线的圆极化工作，其探针的位置是根据低频辐射贴片的耦合阻抗来确定的。两个馈电点在高频辐射贴片中激励出两个正交模式，这两个模式幅度相等，相差90°，从而形成圆极化，然后再通过阵列天线的馈电网络实现波束的合成和偏置。

所述的五层复合介质板之间的电连接关系为：第一层复合介质板1作为天线的盖板与其他复合介质板无电连接；第二层复合介质板2通过探针与第四层复合介质板4通过焊接的方式连接；第三层复合介质板3通过第二层复合介质板2、第四层复合介质板4之间的探针，以耦合的形式与第四层复合介质板4连接；第五层复合介质板5与第四层复合介质板4共同组成带状线。

根据天线工作频带要求(兼容GPS和BDS系统)和所选微带板材规格，选定天线所需微带板材厚度。

高频辐射贴片在低频辐射贴片的上方，高频天线为馈电探针直接馈电；而低频辐射贴片不与探针直接相连，为耦合馈电模式。低频辐射贴片馈电阻抗受微带板厚度、介电常数、微带贴片尺寸等参数的影响，除微带贴片尺寸外其余参数是确定的；而微带贴片尺寸受谐振频率影响，也可确定，因此，根据上述参数可先确定低频辐射贴片的耦合阻值。而在天线匹配时，高低频辐射贴片上的微带天线均需匹配。由低频辐射贴片上的微带天线耦合阻抗值可得到高频辐射贴片上的微带天线阻抗，并最终由此确定馈电点的具体位置。

波束的偏置是由每个阵元馈电相位不同而做成的，即各相邻阵元单元之间相对相差均差一个固定值，形成阵列波束偏置。当扫描角度为θ时，相邻阵元单元之间固定相差可表示为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dcos\mathrm{\θ}$

其中，d为相邻阵元的间距，λ为接收频率对应的自由空间波长，λ_g表示复合介质板的介质波长，ε_γ表示复合介质板的介电常数。

以1227.6MHz频率为例，若使波束偏置角度为27度，则θ＝90°-27°＝63°，利用上述公式计算对应的相邻阵元单元之间固定相差ψ₁＝81.6°，四个阵元相位分别为0°、81.6°、163.2°、244.8°。当频率更换为1575.42MHz时，若使波束偏置角度为27°，则θ＝90°-27°＝63°，对应的相邻阵元单元之间固定相差ψ₂＝104.7°，四个阵元相位分别为0°、104.7°、209.4°、314.1°。

如图2所示，在本实施例中，第三层复合介质板的阵列网络各阻抗的具体选择过程为：

阻抗变化器C是将两个馈电点阻抗变换为合成后的单元天线输出阻抗，即由阻抗变换传输线Z1的阻抗变换至阻抗变换传输线Z2的阻抗。即阻抗变化器c是将两个馈电点合成为一个阵元的端口，由于Z1的阻抗为65欧，合成后Z2的阻抗为32.5欧，阻抗变换传输线Z2和Z3交界处的阻抗为16.25欧。阻抗变化器b是将天线单元输出阻抗，变换为二元阵输出阻抗。即由Z2的阻抗变换至Z3的阻抗。阻抗变化器a是将两个经过了一次二合一的天线二元阵，再次合成为一个端口输出，组成四元阵，阻抗变换传输线Z0的输出阻抗应为50欧姆，50欧是无线电系统标准阻抗。阻抗变换传输线Z0和Z6交界处的阻抗为100欧。阻抗变换传输线Z3、Z4、Z5、Z6目的是实现16.25欧到100欧的变换，采用的方法是1/4波长阶梯阻抗变换，阶数越多，带宽越宽。即输出阻抗Z0＝50Ω，Z4＝25Ω，四分之一波长阻抗变换Z5＝35.355Ω，四分之一波长阻抗变换Z6＝70.71Ω。Z5，Z6为两级1/4波长阶梯阻抗变换器，阻抗从Z4(25Ω)变换至2×Z0(100Ω)。

Z4的阻抗值较小，为25欧(网络中其他阻抗阻值也偏低)，主要目的增大微带线宽度，提高网络的可靠性。所述的阻抗变化器a位置空间较多，可设计为尺寸较大的二级(节)宽带阻抗变换器，以保证网络的宽带性能。阻抗变化器b和阻抗变化器c位置空间较紧张，可设计一级(节)阻抗变换器，为普通二等分功率器。

Z2＝32.5Ω，Z4＝25Ω。Z2通过1/4波长阻抗变换Z3变换至16.25欧，即之后16.25欧可直接等功分至Z2＝32.5Ω。

Z1＝65Ω，Z2＝32.5Ω，Z2可直接等功分至Z1。

通过上述设计得出四个阵元输入为等功率、相邻阵元间相差恒定，形成线性相位渐变等间距线阵的GNSS大气掩星天线。实现了GPS/BDS兼容的、偏波束设计的GNSS大气掩星天线。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，包括：覆盖两个频段的贴片、若干个阵元和若干个复合介质板，所述的贴片印制于复合介质板上，所述的阵元附于贴片上，其通过设有的探针进行馈电，并通过未印制贴片的复合介质板上设计的馈电网络形成偏置的波束，用于采集GNSS信号；所有阵元输入的功率均相等，且相邻的两个阵元之间相差保持恒定，形成线性相位渐变等间距线阵。

2.根据权利要求1所述的星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，所述相邻的两个阵元之间相差的计算公式为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}dcos\mathrm{\θ}$

其中，d为相邻阵元的间距，θ表示扫描角度，λ为接收频率对应的自由空间波长，λ_g表示复合介质板的介质波长，ε_γ表示复合介质板的介电常数。

3.根据权利要求1所述的星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，所述若干个复合介质板包括由上至下叠放的第一复合介质板(1)、第二复合介质板(2)、第三复合介质板(3)、第四复合介质板(4)和第五复合介质板(5)；所述的第一复合介质板(1)作为天线的盖板，所述的第二层复合介质板(2)上印制有高频辐射贴片，用于接收高频段的GNSS信号，所述的第三层复合介质板(3)上印制有低频辐射贴片，用于接收低频段的GNSS信号；所述的高频辐射贴片和低频辐射贴片均附有4个阵元组成的1×4等幅不同相的均匀阵列天线；所述的第四层复合介质板(4)上印制有馈电网络，并与第五层复合介质板(5)共同组成带状线馈电网络。

4.根据权利要求3所述的星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，还包括金属底板(6)，所述的金属底板(6)通过螺钉(7)将各层复合介质板固定在一起。

5.根据权利要求3所述的星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，所述的高频辐射贴片的工作频率为1575.42MHz和1561.098MHz；所述的低频辐射贴片的工作频率为1227.6MHz和1207.14MHz。

6.根据权利要求3所述的星载偏波束设计的GNSS大气掩星天线，其特征在于，所述的第二层复合介质板(2)通过90°相差的两根探针与第四复合介质板(4)焊接在一起，使得第二层复合介质板(2)上的各阵元采用探针直接馈电；所述的第三层复合介质板(3)通过第二层复合介质板(2)与第四层复合介质板(4)之间焊接的探针，以耦合的形式与第四层复合介质板(4)连接，使得第三层复合介质板(3)上的各阵元为耦合馈电。