CN106374207A - 基于l缝隙的t形平衡加载的b1/l1宽频卫星天线 - Google Patents

基于l缝隙的t形平衡加载的b1/l1宽频卫星天线 Download PDF

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Abstract

基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，涉及宽频卫星天线。设有介质基板，介质基板上表面和下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个加载L形缝隙的圆形辐射贴片。在下表面良导体层设有馈电结构，所述馈电结构为一分二功分网络，采用的功分器微带线长度为3～4.5mm，且四分之一阻抗变换长度L2+L3+π×D1/2，输出端要实现90°相移，则馈线长度相差四分之一波长。其中，L2和L3为微带线长度，D1为馈线宽度。上表面良导体层为金属接地面。可实现小型化特性且增益性能较好，可实现水平全向辐射。

Description

基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线
技术领域
本发明涉及宽频卫星天线，尤其是涉及一种基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线。
背景技术
飞速发展的信息技术，全面推进了卫星导航系统在军事、通信、遥感遥测、轨迹测量等领域的广泛应用。天线作为卫星导航系统的重要的组成部分，在通信信号的发射和接收过程中，进行电磁波能量的转换，直接影响卫星导航系统的整体性、有效性和准确性。
卫星导航系统为人们提供全天候、高精度和实时的导航、定位和授时信息。天线性能关乎卫星导航系统的有效性、准确性和整体性。目前对于卫星导航天线的研究，主要集中在多频兼容、圆极化技术、宽频技术等领域，对于多模兼容高精度定位卫星天线的研究相对较少。导航系统越来越多元化，导航资源越来越丰富的基础上，进行多模兼容高精度定位卫星天线研究是非常必要的。
随着北斗卫星导航系统在市场上的竞争力越来越强，市场占有率也在逐步提升，而现阶段GPS还是占据导航市场的主要地位。为了进一步推动北斗的市场化进程，进行北斗与GPS双模兼容卫星导航定位天线的研究，摄取各大系统的导航优势，更好的利用导航卫星资源，对于提高定位精度是十分重要的。因此，在整个卫星导航系统中，天线是至关重要的。
发明内容
本发明的目的是针对天线增益上的缺陷、低仰角上增益较小的问题。提供一种基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线。
本发明设有介质基板，介质基板上表面和下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个加载L形缝隙的圆形辐射贴片。
所述介质基板可采用矩形介质基板，介质基板可采用微波介质基板，所述微波介质基板可采用低损耗复合环氧或陶瓷材料，介电常数为3～12，介质基板的宽度为50～80mm，长度为宽度的两倍，介质基板的厚度为2～3mm。所述良导体可采用铜或银。
所述圆形辐射贴片的半径为15～30mm，两个圆形辐射贴片之间距离为12～20mm，两个圆形辐射贴片构成二元阵列天线。
所述圆形辐射贴片圆周上的等分数目n可为4、6、8或10。
所述加载L形缝隙中较短的宽度为0.8～1.2mm，较长的宽度为1.2～1.8mm，形成对称分布的内T形弧状枝节，在相邻的T形弧状枝节中间的凸起位置，平衡加载较小的外T形弧状枝节，T形弧状长度为6～9mm，宽度为0.8～1.2mm。
在下表面良导体层设有馈电结构，所述馈电结构为一分二功分网络，采用的功分器微带线长度为3～4.5mm，且四分之一阻抗变换长度L2+L3+π×D1/2，输出端要实现90°相移，则馈线长度相差四分之一波长。其中，L2和L3为微带线长度，D1为馈线宽度。
上表面良导体层为金属接地面。
所述天线的馈电位置与圆形辐射贴片中心的距离Px为8～12mm。
所述L形缝隙的不同部位的旋转角度Deg1为8～12deg，Deg2为5～7.5deg，Deg3为2.5～3.8deg。
本发明的圆形辐射贴片有很好的单频谐振特性，加载L形缝隙，能够较好实现天线小型化，且根据圆极化技术可知，单馈实现圆极化的带宽较窄，多元法实现圆极化技术的频带宽度较宽，增益性能好。在对称的L形缝隙之间加载T形枝节，构成弧状T形枝节加载的二元阵列天线，可以解决在在低仰角处辐射能量较低的问题，从而增大天线增益，将更多的往四周辐射能量。所以基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线的阻抗带宽更大，在低仰角方向的增益更好，能够更好的满足所需的指标，增益不圆度较好，对于高精度定位需求的指标，能够更好的满足要求。
本发明从简单的圆形辐射贴片为原型，首先在边沿处加载L形缝隙，形成对称分布的内T形弧状枝节，然后在相邻的T形弧状枝节中间的凸起位置，平衡加载较小的外T形弧状枝节，使得馈电点到有效辐射边缘的距离更加一致，在水平方向全向辐射，然后根据卫星天线圆极化带宽的缺陷，采用Wikinson功分器馈电的二元结构，实现圆极化性能，两个阵元馈电幅度相等、相位相差90°，由此实现所需频带的右旋圆极化特性和较宽的3dB轴比带宽，最终设计出满足北斗的B1频段和GPS的L1频段的双模卫星导航天线。
本发明可以实现小型化特性且增益性能较好，可以实现水平全向辐射。较好解决了针对圆极化性能不足和轴比带宽不好这两个关键问题，同时实现所需频带的右旋圆极化特性和较宽的3dB轴比带宽。解决了二元阵列天线增益上的缺陷、低仰角上增益较小的问题。最终取合适的地板尺寸，得到基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，可以很好的应用到宽频BD/GPS双模高精度卫星定位天线中。
为了克服天线的增益较低这一关键问题，补偿馈电网络所带来的增益损耗，本发明采用Wikinson功分器馈电的二元阵列，阵列方向图叠加，使得增益得到提升，补偿由于一分二功分器所带来的3dB功率损耗，同时利用二元法实现圆极化的技术，获得兼容GPS的L1频段和北斗B1频段的多模高精度定位天线。
本发明提出以圆形辐射贴片为原型，通过螺旋加载L形缝隙，形成对称分布的内T形弧状枝节，实现天线的小型化，接着为了提高天线的几何对称性，将旋转对称加载的L形缝隙改进成轴对称加载的L形缝隙结构，然后在相邻的T形弧状枝节中间的凸起位置，平衡加载较小的外T形弧状枝节，使得馈电点到有效辐射边缘的距离更加一致，在水平方向全向辐射，实现增益的提升，并将天线组成二元阵列，由此获得基于轴对称L形缝隙加载的弧状T形二元阵列天线。然后根据卫星天线圆极化带宽的缺陷，采用Wikinson功分器馈电的二元结构，实现圆极化性能，最终获得T形枝节加载的二元阵列天线，天线能够覆盖B1/L1双频段，各项性能较优。
附图说明
图1为本发明实施例的上表面示意图。
图2为本发明实施例的底面示意图。
图3为本发明实施例的侧面示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图，在图中直角坐标系中，横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度Return Loss(dB)。
图5为本发明实施例的1.568GHz频点的总辐射增益图。在图中，坐标为极坐标。
图6为本发明实施例的1.568GHz频点的轴比图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1，圆形辐射贴片的半径为19±0.1mm。两个辐射贴片之间距离为17±0.1mm，L缝隙的宽度G1为1±0.1mm，宽度G2为1.5±0.1mm。T形弧状长度为7.5±0.1mm，宽度为G3，G3的为1±0.1mm。L缝隙的各个角度，Deg1为10±0.1deg，Deg2为6±0.1deg，Deg3为3±0.1deg。
参见图2，Wikinson功分器馈电的二元结构，微带线宽度W1、W3为3.6±0.1mm，W2为1±0.1mm。馈线宽度D1为2±0.1mm，馈线长度L2为9.5±0.1mm，L3为8.5±0.1mm，L5为36±0.1mm，L6为23±0.1mm，L7为23.5±0.1mm，L8为13.5±0.1mm。
参见图3，图3中标注1为圆形辐射贴片。图3中标注2为介质基板。图3中标注3为带过孔的反射地板。图3标注4为介质基板。图3标注5为馈电结构。本发明双面覆良导体的高性能微波介质基板，中间介质部分采用Taconic RF-60，介电常数是6.15，电损耗正切为0.0028，介质基板的宽度为55±0.1mm，长度为宽度的两倍。厚度为2.54±0.1mm。
参见图4，可以看出图中给出本发明实施例的回波损耗(S11)性能图，在中心频点1.568GHz处的回波损耗为-28.7dB，其回波损耗小于-15dB的频带为1.333～1.731GHz，即驻波比小于1.5的频带宽度达到398MHz，在所需频带内回波损耗均小于-25dB。天线在阻抗带宽即驻波比性能上能很好的满足要求。
参见图5，图5为1.568GHz频点的总辐射增益图，八T加载的二元阵列天线，在天顶方向的最大增益达到5.7dB，在仰角30°方向上，增益为-0.82dB，在仰角10°方向上，增益为-3.79dB。可见八T加载的二元阵列天线增益已经很好的满足所需的性能指标。
参见图6，图6为天线的1.568GHz频点的轴比图。八T加载的二元阵列天线在中心频点的轴比图，在仰角90°方向的轴比为1.32dB，其3dB波瓣宽度为86°。可见能较好的满足圆极化的指标。
参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线在1.568GHz的影响情况。
表1
注：表1中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需优化结构参数完成特殊设计。

Claims (10)

1.基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于设有介质基板，介质基板上表面和下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有两个加载L形缝隙的圆形辐射贴片；在下表面良导体层设有馈电结构，所述馈电结构为一分二功分网络，采用的功分器微带线长度为3～4.5mm，且四分之一阻抗变换长度L2+L3+π×D1/2，输出端要实现90°相移，则馈线长度相差四分之一波长，其中，L2和L3为微带线长度，D1为馈线宽度；上表面良导体层为金属接地面。
2.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述介质基板采用矩形介质基板，介质基板可采用微波介质基板。
3.如权利要求2所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述微波介质基板采用复合环氧或陶瓷材料，介电常数为3～12。
4.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于介质基板的宽度为50～80mm，长度为宽度的两倍，介质基板的厚度为2～3mm；所述良导体可采用铜或银。
5.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述圆形辐射贴片的半径为15～30mm，两个圆形辐射贴片之间距离为12～20mm，两个圆形辐射贴片构成二元阵列天线。
6.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述圆形辐射贴片圆周上的等分数目n为4、6、8或10。
7.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述加载L形缝隙中较短的宽度为0.8～1.2mm，较长的宽度为1.2～1.8mm，形成对称分布的内T形弧状枝节。
8.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于在相邻的T形弧状枝节中间的凸起位置，平衡加载较小的外T形弧状枝节，T形弧状长度为6～9mm，宽度为0.8～1.2mm。
9.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述天线的馈电位置与圆形辐射贴片中心的距离为8～12mm。
10.如权利要求1所述所述基于L缝隙的T形平衡加载的B1/L1宽频卫星天线，其特征在于所述L形缝隙的不同部位的旋转角度Deg1为8～12deg，Deg2为5～7.5deg，Deg3为2.5～3.8deg。
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