CN106486753A - 一种支持多系统低剖面高增益的导航天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，涉及天线技术领域。本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，包括天线单元、天线支撑架和AMC结构，所述天线单元通过天线支持架与AMC结构固定，与现有技术相比，降低天线整体剖面高度，所述天线单元采用类表盘结构，信号经过输入阻抗变换单元馈入天线辐射部分，在保证天线低剖面的前提下，有效拓宽了天线的带宽。本发明结构简单，节省电桥等元器件，成本低，满足工作频段1.2GHz‑1.6GHz驻波2以下，实现GPS、GLONASS、北斗，三个系统兼容，采用微带线对天线主体馈电，容易调试和装配，具有低剖面、高增益、超宽带的特点。

Description

一种支持多系统低剖面高增益的导航天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种低剖面高增益的导航天线。
背景技术
AMC：Artificial Magnetic Conductors,人工磁导体。
圆极化天线由于其可以接收任意极化方向的线极化波的工作特性，在航天飞行器、卫星通信和导航定位，RFID等领域中得到广泛应用。目前已建成运行和正在发展中的卫星导航系统主要有美国的全球卫星定位系统(Global Position Systems,GPS)，前苏联的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems，GLONASS)，欧盟的伽利略(Galileo) 卫星导航定位系统以及由我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)。目前，多模导航天线的主要形式有单馈电结构、双馈电结构以及四馈电结构。一般的单馈电单层微带结构例如陶瓷GPS天线，由于其成本低且容易制造而备受青睐，然而，单馈电单层微带结构天线阻抗带宽较窄。市场上也有采用多层贴片上下组合叠层结构的微带天线，贴片的层数通常与支持的系统相对应，圆极化特性是通过微带贴片切角，而这种结构的天线虽然驻波带宽相对单层贴片结构天线有所拓展，但轴比带宽仍然较窄。为了展宽天线的圆极化轴比带宽，天线通过功率分配网络移相或电桥来实现双馈电结构，运用两个馈电点提供等幅、相位相差90度的信号激励出两个正交的线极化模，从而实现圆极化工作，借助探针将信号耦合到辐射片上，以产生较宽的工作带宽。但是，常用的探针馈电形式会使宽频带天线与多个其它频带的天线共口径产生较强的互耦，调试和装配比较复杂，配合电桥等元器件使用成本高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种容易调试和装配，且支持多系统低剖面高增益的导航天线。
本发明所采用的技术方案是：一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，包括天线单元、天线支撑架和AMC结构，所述天线单元包括第一介质板，所述第一介质板的上表面是第一金属地板，所述第一介质板的上表面具有以第一介质板中心为中心的中心对称空腔图形，所述第一介质板的下表面是表针结构，所述表针结构从空腔图形中心指向外周，所述表针结构与空腔图形互补形成类表盘天线单元，所述表针结构包括天线辐射部分和输入阻抗变换单元，所述输入阻抗变换单元与天线辐射部分连接，信号经过输入阻抗变换单元馈入天线辐射部分，所述AMC结构包括第二介质板，所述第二介质板上表面印制有n×n个金属贴片，所述第二介质板下表面印制有第二金属地板，所述天线单元与AMC结构相互平行，所述第一介质板中心与第二介质板中心重合，所述天线单元和AMC结构之间通过天线支撑架进行固定连接。
进一步地，所述第一介质板和第二介质板均是正四边形板，所述第一介质板的面积略小于第二介质板的面积。
进一步地，所述空腔图形的形状是正多边形、圆形或者环形。
进一步地，所述金属贴片形状为正方形、圆形、正方形内嵌套圆环、正方形内套十字缝隙或者多层开口圆环。
进一步地，所述第一介质板是高频介质复合材料双面覆铜板。
进一步地，所述第二介质板是高频介质复合材料双面覆铜板。
进一步地，所述天线辐射部分是一对正交连接L型枝节。
优选的，所述天线支撑架是介电常数为1的发泡材料。
进一步地，所述天线是通过微带线对天线主体馈电。
本发明的有益效果是：本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线的天线单元通过天线支持架与AMC结构固定，与现有技术相比，降低天线整体剖面高度。本发明天线单元采用类表盘结构，信号经过输入阻抗变换单元馈入天线辐射部分，在保证天线低剖面的前提下，有效拓宽了天线的带宽。本发明结构简单，节省电桥等元器件，成本低，满足工作频段1.2GHz-1.6GHz驻波2以下，实现GPS、GLONASS、北斗，三个系统兼容，采用微带线对天线主体馈电，容易调试和装配，具有低剖面、高增益、超宽带的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的整体结构示意图；
图2是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的俯视图；
图3是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的天线单元结构透视图；
图4是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的轴比曲线图；
图5是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的驻波曲线图；
图6是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的增益方向图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
图1是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的整体结构示意图，如图1所述，一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，包括天线单元1、天线支撑架2和AMC结构3，所述天线单元1包括第一介质板，所述AMC结构3包括第二介质板，所述第一介质板的面积略小于第二介质板的面积，所述天线单元1与AMC结构3相互平行，所述第一介质板与第二介质板中心重合，所述天线单元1放置在AMC结构3上方，所述天线单元1和AMC结构3之间通过天线支撑架2固定，所述天线支撑架2采用介电常数为1的发泡材料，天线支撑架2的高度h=14.4mm。
图2是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的俯视图，如图2所示，一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，天线单元1位于AMC结构3的中心，AMC结构3选取高频介质复合材料双面覆铜板作为介质板，本实施例优选采用介电常数为4.4的环氧树脂FR-4材料，尺寸为260.24mm*260.24mm、厚度为2mm的方形覆铜板，AMC结构3包括第二介质板，所述第二介质板上表面印制有n×n个金属贴片31，所述金属贴片31形状可以是正方形、圆形、正方形内嵌套圆环、正方形内套十字缝隙或者多层开口圆环等等，通过改变正方形的周长，圆的半径以及相邻两个金属贴片31的间距，调节AMC结构3的同相反射带隙的频段及带宽，AMC结构3的同相反射带隙的中心频率与天线单元1工作频带的中心频率接近或者相同，所述第二介质板下表面印制有第二金属地板。本实施例采用7×7个正方形金属贴片31，所述金属贴片31的边长l=30.8mm，两相邻金属贴片31中心距离M=36.58mm，相邻两个金属贴片31之间的缝隙是电磁带隙的缝隙32，所述电磁带隙的缝隙32的宽度d=5.78mm。通过改变金属贴片31的周长以及相邻两个金属贴片31的间距调节AMC结构3的同相反射带隙的频段及带宽，相邻两个金属贴片31之间的缝隙即电磁带隙的缝隙32大小影响轴比频率和深度，同相反射带隙的中心频率上升，同相反射带隙位置向高频移动。
图3是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的天线单元结构示意图，结合图2和图3，天线单元1选取高频介质复合材料双面覆铜板作为介质板，本实施例优选介电常数为4.4的环氧树脂FR-4材料，尺寸为177mm*212.4mm、厚度为4.72mm的矩形覆铜板，所述天线单元1包括第一介质板，第一介质板的面积略小于第二介质板的面积，所述第一介质板上表面为第一金属地板即互补接地单元14，所述互补接地单元14接入射频信号地，所述第一介质板的上表面具有以第一介质板中心为中心的中心对称空腔图形，所述空腔图形可以是正多边形、圆形或者环形等，本实施例优选边长c=63.54mm的正八边形空腔11，正八边形的周长影响天线工作频率，所述矩形覆铜板中心与上述AMC结构3的方向覆铜板中心重合，所述天线单元1下表面是表针结构，表针结构从正八边形空腔11中心指向圆周，所述表针结构与正八边形空腔11互补形成类表盘天线单元，所述表针结构包括天线辐射部分12和两节输入阻抗变换单元13，如图3所示，输入阻抗变换单元13与天线辐射部分12连接，利用微带线对天线主体馈电，射频信号通过两节输入阻抗变换单元13进行输入匹配，通过调节两节输入阻抗变换单元13的长宽尺寸调整输入阻抗的大小，改善工作频率的回波深度和驻波。所述天线辐射部分12为一对正交连接L型枝节，通过改变天线辐射部分12两个枝节各自的长度和宽度调整正交的两个简并模式的分离，激励电磁波的圆极化方式。
本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线在计算机上模拟仿真，如图4至图6，图4是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的轴比曲线图，图5是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的驻波曲线图，图6是本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线具体实施例的增益方向图，仿真结果显示，天线中心频率为1.4GHz，在整体剖面高度接近0.1λ的前提下，阻抗带宽范围为1.2GHz至1.6GHz；轴比带宽：满足3dB以下的频段为1.2GHz至1.6GHz，达到28%，兼顾了天线的低剖面和超带宽特性，满足工作频段1.2GHz至1.6GHz驻波2以下，实现GPS、GLONASS、北斗这三个系统兼容。
本发明一种支持多系统低剖面高增益的导航天线的天线单元通过天线支持架与AMC结构固定，与现有技术相比，降低天线整体剖面高度。本发明天线单元采用类表盘结构，信号经过输入阻抗变换单元馈入天线辐射部分，在保证天线低剖面的前提下，有效拓宽了天线的带宽。本发明结构简单，节省电桥等元器件，成本低，满足工作频段1.2GHz-1.6GHz驻波2以下，实现GPS、GLONASS、北斗，三个系统兼容，采用微带线对天线主体馈电，容易调试和装配，具有低剖面、高增益、超宽带的特点。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，包括天线单元、天线支撑架和AMC结构，所述天线单元包括第一介质板，所述第一介质板的上表面是第一金属地板，所述第一介质板的上表面具有以第一介质板中心为中心的中心对称空腔图形，所述第一介质板的下表面是表针结构，所述表针结构从空腔图形中心指向外周，所述表针结构与空腔图形互补形成类表盘天线单元，所述表针结构包括天线辐射部分和输入阻抗变换单元，所述输入阻抗变换单元与天线辐射部分连接，信号经过输入阻抗变换单元馈入天线辐射部分，所述AMC结构包括第二介质板，所述第二介质板上表面印制有n×n个金属贴片，所述第二介质板下表面印制有第二金属地板，所述天线单元与AMC结构相互平行，所述第一介质板中心与第二介质板中心重合，所述天线单元和AMC结构之间通过天线支撑架进行固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述第一介质板和第二介质板均是正四边形板，所述第一介质板的面积略小于第二介质板的面积。
3.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述空腔图形的形状是正多边形、圆形或者环形。
4.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述金属贴片形状为正方形、圆形、正方形内嵌套圆环、正方形内套十字缝隙或者多层开口圆环。
5.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述第一介质板是高频介质复合材料双面覆铜板。
6.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述第二介质板是高频介质复合材料双面覆铜板。
7.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述天线辐射部分是一对正交连接L型枝节。
8.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述天线支撑架是介电常数为1的发泡材料。
9.根据权利要求1所述的一种支持多系统低剖面高增益的导航天线，其特征在于，所述天线是通过微带线对天线主体馈电。
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