CN106602267B - 双箭头锚式加载的b3/l1双模卫星导航天线 - Google Patents

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Abstract

双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，涉及卫星导航天线。设有介质基板，介质基板采用正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有一个加载双箭头的正方形辐射贴片；在正方形辐射贴片四个角落加载双箭头锚式缝隙，箭头呈轴对称，箭头与连接臂之间的夹角为45°±2°，缝隙外沿与辐射贴片的边沿间隔为0.8～1.2mm，缝隙外沿与缝隙内沿的间隔为10～15mm，缝隙宽度为1.0～1.5mm；缝隙里内嵌一个宽度较窄的双箭头锚式缝隙，锚式结构外箭头与辐射贴片相连，内箭头不与辐射贴片连接。提高有效谐振长度的可调性，可根据频率需求，调整箭头长度，获得双模圆极化高精度卫星天线的设计。

Description

双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线
技术领域
本发明涉及卫星导航天线，尤其是涉及一种双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线。
背景技术
卫星导航系统，以卫星为基础，它能够提供全天候、高精度、实时的、连续的、全球高覆盖率的导航、定位和授时信息，在人们的日常生活中扮演益加重要的角色。为了提高政治、军事、经济上的影响力，有能力的大国纷纷推出自己的卫星导航系统，对导航产业的扶持力度不断加大。现在，GPS、BeiDou、GLONASS和Galileo是主要的四大卫星导航系统，共同构成了全球卫星导航系统(GNSS)。美国GPS是发展最早、覆盖能力最强的卫星导航系统，早期该系统由5到6颗卫星组网，但是定位精度过低，信息准确性很差，因此，在20世纪70年代，美国重新规划，开始研制新一代的卫星导航系统，该系统由24颗卫星组网，全球覆盖率达到98％，可以实现三维定位，民用精度可达10米内。俄罗斯的GLONASS紧随GPS的脚步，在2010年就全面覆盖俄罗斯领土，2011年就覆盖全球，其产业化规模正在不断扩大。欧盟的Galileo始于2003年，预计于2019年全球覆盖。中国的北斗卫星导航系统(BeiDou)是中国独立研发的全球卫星导航系统，为了在2020年实现全球覆盖，北斗系统有针对性地从覆盖亚太区域起步，然后逐步往全球覆盖发展。首先从北斗一代的双星定位开始研究论证，该系统可以为中国及周边地区提供高精度导航和短报文通信。接着发展北斗二代系统，该系统由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组网而成，目前亚太地区能够全面覆盖，且是其信号加强区域。
目前，对卫星导航终端天线的研究主要集中在多频兼容、圆极化技术、宽频技术、可重构技术、小型化技术、阵列组合等领域，对于多模兼容高精度定位卫星导航天线的研究相对较少。随着卫星导航系统的多元化，如果不将各个系统兼容互用，不久将来将会导致各个系统间相互干扰，冗余度更高，很大程度造成导航资源的浪费，且对于多个导航系统的组合环境，对于单一位置来说，可用卫星数倍数增加，定位精度也将大大提升。同时随着各种精密测量仪器对精度的需求不断加大、军事领域需要精确打击等，人们对定位精度的要求不断提高。研究多模高精度定位卫星终端天线是当务之急。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足，提供一种双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线。
本发明设有介质基板，所述介质基板采用正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有一个加载双箭头的正方形辐射贴片；在正方形辐射贴片四个角落加载双箭头锚式缝隙，箭头呈轴对称，箭头与连接臂之间的夹角为45°±2°，缝隙外沿与辐射贴片的边沿间隔的取值范围为0.8～1.2mm，缝隙外沿与缝隙内沿的间隔的取值范围为10～15mm，缝隙宽度的取值范围为1.0～1.5mm；缝隙里内嵌一个宽度较窄的双箭头锚式缝隙，锚式结构外箭头与辐射贴片相连，内箭头不与辐射贴片连接，外箭头长度的取值范围为8～12mm，宽度的取值范围为0.30～0.45mm，内箭头长度的取值范围为2.5～3.8mm，宽度为0.30～0.45mm。
所述介质基板的长度与宽度的取值范围均为45～80mm，厚度的取值范围为1.8～3.0mm。
所述介质基板材料介电常数取值范围为3～12。
所述正方形辐射贴片的长度与宽度的取值范围均为35～70mm。
天线馈电位置的取值范围为10～15mm。
外箭头外沿与缝隙外沿间隔为0.4～0.6mm。箭头柄与缝隙边沿间隔为0.30～0.45mm。内箭头外沿与缝隙外沿间隔为0.8～1.2mm。
本发明在方形辐射贴片四个角部加载一个较大的双箭头锚式缝隙，在缝隙内加载一个较小的双箭头锚式枝节结构，该锚式结构仅外箭头与辐射贴片相连，内箭头悬空，在有限空间内，获得电流路径的增大，最终实现小型化的覆盖北斗B3和L1频段的双模卫星导航天线，天线尺寸大大减小，各项性能较优，增益进一步改进。
本发明将双箭头锚式结构加载到天线中，改善天线性能。在微带辐射贴片的对角加载一个内凹的箭头槽，在槽的内部嵌入一个往外延伸的双箭头锚式结构，实现天线容抗和感抗的可调性，同时双箭头锚式结构有效长度大，在充分利用空间的基础上，能大大降低天线的尺寸，实现小型化，并解决微带天线带宽较窄这一关键问题。
双箭头锚式结构加载位置的变化实现频比的调控。四个角部加载双箭头锚式谐振腔，得到天线的多模谐振，实现双频特性，谐振腔有效长度可控，频比可调，为了进一步提高天线频比的伸缩性，将双箭头锚式结构内移，变成在内部槽内加载锚枝节，枝节长度灵活变化，频比范围的可控性大大增加，同时严格的对称辐射结构大大提高天线的相位中心稳定度，相位精度较高。
本发明从北斗一代和北斗二代卫星导航系统天线的需求出发，首先以正方形辐射贴片为原型，在对角加载双箭头锚式结构，获得工作在B3频段的单馈单频圆极化北斗二代卫星导航天线。在正方形辐射贴片四个角落加载双箭头锚式谐振腔结构，激发天线的多频特性，由此获得工作在B3频段和S频段的双频北斗卫星导航天线，天线采用一分四网络馈电，获得很好的圆极化特性。由于闭合谐振腔实现的双频频比较大，对于频率相近的双频较难实现，因此将锚式结构内移，引入多谐振枝节，内箭头的电流需通过外部箭头，进而大大提高有效谐振长度的可调性，由此可以根据频率需求，调整箭头长度，获得双模圆极化高精度卫星天线的设计。
附图说明
图1为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的结构示意图。
图2为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的侧面示意图。
图3为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的上表面示意图。
图4为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的回波损耗(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为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的本发明实施例1.268GHz频点的总辐射增益图。在图5中，坐标为极坐标。
图6为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的本发明实施例1.575GHz频点的总辐射增益图。在图6中，坐标为极坐标。
图7为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的1.268GHz频点的轴比图。
图8为本发明实施例的双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线的1.575GHz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1～3，图1和2中标记1为正方形辐射贴片。图2中标记2为馈电孔。图2中标记3为介质基板。图2标记4为接地板。介质基板材料为Taconic RF-60，介电常数是6.15，电损耗正切为0.0028，介质基板的长度与宽度Gnd均60±0.1mm，厚度为2±0.1mm。介质基板上方为辐射贴片，正方形辐射贴片的长度与宽度Patch为40.8±0.1mm。介质基板下方为接地板，通过在正方形辐射贴片四个角落加载双箭头锚式缝隙，缝隙外沿与辐射贴片的边沿间隔为1±0.1mm，缝隙宽度为1.3±0.1mm，在缝隙里内嵌的外箭头长度为10±0.1mm，宽度aw为0.4±0.1mm，内箭头长度为3±0.1mm，宽度bw为0.4±0.1mm。
所述四个角落加载朝向矩形辐射片角部的外双箭头锚式箭头呈轴对称，箭头与中部臂之间的夹角为45°±2°，箭头状缝隙外沿与辐射贴片的边沿间隔a的取值的范围为0.8～1.2mm。缝隙宽度a2的取值范围为1.0～1.5mm。
缝隙里内嵌一个宽度较窄的朝向辐射贴片中部的内双箭头锚式缝隙，箭头与中部臂之间的夹角为45°±2°，内双箭头缝隙外沿与外双箭头缝隙外沿的间隔a1的取值范围为10～15mm。外双箭头长度b1的取值范围为8～12mm，宽度b2的取值范围为0.30～0.45mm。内双箭头长度b3的取值范围为2.5～3.8mm，宽度为b2。
外箭头外沿与缝隙外沿间隔gap1取值范围为0.4～0.6mm。箭头柄与缝隙边沿间隔gap2取值范围为0.30～0.45mm。内箭头外沿与缝隙外沿间隔gap3的取值范围为0.8～1.2mm。
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，天线覆盖的两个频带为1.241～1.285GHz和1.560～1.591GHz，低频带的带宽为44MHz，在所需的北斗B3频带中心频点1.268GHz处的回波损耗值为-22.8dB，高频带的带宽为31MHz，在所需的GPS的L1频带中心频点1.575GHz处的回波损耗值为-27.3dB，双频带匹配性能优越，满足北斗B3频带和GPS的L1频带的需求。
参见图5～6，图5为1.268GHz频点的总辐射增益图，图6为1.575GHz频点的总辐射增益图。从图中可以看出在天顶方向辐射方向图较好，可以满足北斗卫星系统的要求，天线在1.268GHz和1.575GHz两个频点的增益分别为0.8dB和1.9dB，辐射性能优越。可见双箭头锚式结构可以实现很好的双频辐射，不过双箭头结构的引入，影响其等效的两对正交缝隙能量的辐射，增益偏低，可由射频前端LNA补偿。
参见图7～8，图7为天线的1.268GHz频点的轴比图。图8为天线的1.575GHz频点的轴比图。为了满足卫星天线圆极化的需求，参照图1，天线采用四馈电网络，相邻馈电端口相位依次相差90°，由此得到天线在B3频带和L1频带的中心频点处的轴比，在1.268GHz处的轴比小于3dB的波瓣宽度为120°，在高频1.575GHz处的轴比小于3dB的波瓣宽度为142°，满足圆极化在仰角上的需求。
参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线在1.268GHz的影响情况。
参见表2，表2给出了本发明的制造加工误差对天线在1.575GHz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。
表2
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 (5)

1.双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，其特征在于设有介质基板，所述介质基板采用正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层设有一个加载双箭头的正方形辐射贴片；在正方形辐射贴片四个角落加载双箭头锚式缝隙，箭头呈轴对称，箭头与连接臂之间的夹角为45°±2°，缝隙外沿与辐射贴片的边沿间隔的取值范围为0.8～1.2mm，锚式缝隙整体横向宽度为10～15mm，缝隙的宽度为1.0～1.5mm；每个双箭头锚式缝隙里内嵌一个较窄的双箭头锚式枝节结构，该锚式枝节结构外箭头与辐射贴片相连，内箭头悬空，外箭头长度的取值范围为8～12mm，宽度的取值范围为0.30～0.45mm，内箭头长度的取值范围为2.5～3.8mm，宽度为0.30～0.45mm。
2.如权利要求1所述双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，其特征在于所述介质基板的长度与宽度的取值范围均为45～80mm，厚度的取值范围为 1.8～3.0mm。
3.如权利要求1所述双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，其特征在于所述介质基板材料介电常数取值范围为3～12。
4.如权利要求1所述双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，其特征在于所述正方形辐射贴片的边长为35～70mm。
5.如权利要求1所述双箭头锚式加载的B3/L1双模卫星导航天线，其特征在于外箭头外沿与缝隙外沿间隔为0.4～0.6mm，箭头柄与缝隙边沿间隔为0.30～0.45mm，内箭头外沿与缝隙外沿间隔为0.8～1.2mm。
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