CN106654577A - 一种小型多频机载卫星导航天线 - Google Patents

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Abstract

一种小型多频机载卫星导航天线，包含馈针、压块、天线罩、GPS天线印制板、第一BD天线印制板、第二BD天线印制板、隔板、射频放大电路板、天线安装框架、接插件和套筒。馈针贯穿GPS天线印制板、第一BD天线印制板、第二BD天线印制板、隔板和射频放大电路板，并在两端进行焊接。套筒选用CP‑50，焊接在射频放大电路板上。用压块和五个螺钉将焊接完成的组件及天线罩固定在天线安装框架上。TNC接插件内芯对准并插入套筒CP‑50中，外部通过螺纹跟天线安装框架旋紧。本发明可以实现多频工作，覆盖GPSL1、L2、BDB1、B3卫星导航频段；具备较宽的波束覆盖范围，增益高，体积小，重量轻，免调试，相位中心稳定度高。广泛应用于各种定位测量系统中。

Description

一种小型多频机载卫星导航天线
技术领域
本发明涉及一种天线，特别是涉及一种小型多频机载卫星导航天线，属于测量天线技术领域。
背景技术
随着用户对卫星定位精度需求的提高，现有GPS卫星定位系统的定位精度已不能满足用户高精度定位的需求。作为卫星导航定位系统中的关键部件，高精度定位天线技术已成为当前急需解决的问题。
随着北斗系统的不断完善，各种应用也在不断增加，并朝着多系统、多模式的方向发展。卫星导航天线的尺寸、大小、重量、功能和成本已日益成为天线设计师必须综合考虑的问题。在保证天线功能的情况下，如何将天线做得尺寸更小、重量更轻、成本更低，已成为天线设计师争夺的焦点。
卫星导航定位天线是一种宽波束天线，要求天线在宽角域范围内具有较高的增益及稳定的相位中心以及一定的抗干扰能力。并且尺寸越小越轻薄，越能快速占领市场。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度轻薄型卫星导航天线，工作频率能够覆盖GPSL1、L2、BDB1、B3卫星导航频段，具有宽频带、高增益、相位中心稳定等特点。尺寸小，重量轻，免调试。
本发明的技术解决方案是：
一种小型多频机载卫星导航天线，包括馈针、压块、天线罩、GPS天线印制板、第一BD天线印制板、第二BD天线印制板、隔板、射频放大电路板、天线安装框架、接插件和套筒；
螺钉依次将压块、GPS天线印制板、第一BD天线印制板、第二BD天线印制板、隔板和射频放大电路板按照从上到下的顺序，固定在天线安装框架上，中部开口的天线罩设置在GPS天线印制板上，压块位于所述天线罩的中部开口处；
馈针为大头针形式，馈针贯穿GPS天线印制板、第一BD天线印制板、第二BD天线印制板、隔板和射频放大电路板，且馈针的大头一端焊接在射频放大电路板上,另一端与GPS天线印制板焊接；
套筒焊在射频放大电路板上，接插件固定安装在天线安装框架上，接插件的内芯深入套筒内部。
所述GPS天线印制板与第一BD天线印制板接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，且在该圆环形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节GPS工作频率范围，GPS天线印制板的介质层采用TMM10材料。
所述GPS天线印制板的介质层厚度为3.81mm，GPS天线印制板的外径在35mm到40mm之间，内径在10mm到15mm之间，调谐齿的长度在2mm到5mm之间，宽度在2mm到3mm之间。
所述第一BD天线印制板与第二BD天线印制板接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆形覆铜，且在该圆形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围，第一BD天线印制板的介质层采用TMM6材料。
所述第一BD天线印制板的介质层厚度为3.81mm，第一BD天线印制板的直径在40mm到50mm之间，调谐齿的长度在4mm到7mm之间，宽度在0.5mm到1.5mm之间。
所述第二BD天线印制板与隔板接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，第二BD天线印制板的介质层采用TMM6材料。
所述第二BD天线印制板的介质层厚度为3.81mm，第二BD天线印制板的外径在4mm到5mm之间，内径在2mm到3mm之间。
所述隔板、天线安装框架和套筒为金属材料，射频放大电路板与隔板接触的一侧覆铜，另一侧设置电路元器件。
GPS天线印制板上的圆环状覆铜上设置有两个馈针孔，一个馈针孔位于XOY坐标系中的(-7.3mm，7.3mm)位置，另一个馈针孔位于位于XOY坐标系中的(-7.3mm，-7.3mm)位位置，所述XOY坐标系的原点为圆环状覆铜的圆心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。
所述馈针长度在12mm到18mm之间。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用双端口探针馈电的方式，对上层GPS天线印制板进行馈电。可以改善天线在宽角域范围内的辐射特性，提高天线在宽角域范围内的轴比特性、相位中心特性及抗干扰能力等。
(2)上层GPS天线印制板激励辐射电磁波以后，通过耦合馈电的方式，可以激励下层BD天线印制板辐射电磁波。耦合馈电的方式可以有效地扩展天线带宽。通过耦合馈电，并增加下层BD天线印制板介质层的厚度，工作带宽可完全覆盖BDB1、B3频段。而上层天线印制板覆盖工作频率GPSL1、L2，这样整个天线就可以实现四个频段同时工作，大大提高了系统的可靠性。
(3)本发明中辐射贴片采用圆形金属片可以使得天线性能最优。结构简单，外形美观，适合批量生产。根据天线的工作频率，辐射上贴片的外径控制在35mm到40mm之间，内径控制在10mm到15mm之间。下层贴片的直径控制在40mm到50mm之间。考虑到天线结构的可靠性，天线结构除了四周四个螺钉固定之外，辐射上层贴片中间加一压块并用螺钉固定。压块的高度在4mm到6mm之间。为了应对天线介质板的介电常数偏差带来的误差影响，便于调试，上下层贴片四周均加了一定长度的矩形调谐齿。
(4)本发明为了减小天线的尺寸和重量，天线辐射上层贴片和下层贴片均采用高介电常数的印制板。这样天线外形尺寸可以大大减小。而射频接插件TNC和套筒的完美配合，使得低噪到射频输出口的距离大大减小，就等于接插件的高度。本发明高度方向不含接插件控制在25mm以内，总高度在40mm以内。长度方向在90mm到100mm之间，宽度方向在70mm到80mm之间。所以在尺寸和重量设计上是一个飞跃。经过不断优化，将整个天线的重量控制在220g以内，实测产品重量215g，比国外同类天线重量轻50g。
附图说明
图1为本发明小型多频机载卫星导航天线侧视图；
图2为本发明小型多频机载卫星导航天线俯视图；
图3为本发明GPS天线印制板示意图；
图4为本发明第一BD天线印制板示意图；
图5为本发明第二BD天线印制板示意图；
图6为本发明用于同轴馈电的馈针示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。
本发明设计了一种小型化多频机载卫星导航天线，可以用于无人机上的导航定位，实现多频工作，覆盖GPSL1、L2、BDB1、B3卫星导航频段；具备较宽的波束覆盖范围，增益高，体积小，重量轻，免调试，相位中心稳定度高。广泛应用于各种定位测量系统中。
如图1、2所示，本发明提供的小型多频机载卫星导航天线，包括馈针1、压块2、天线罩3、GPS天线印制板4、第一BD天线印制板5、第二BD天线印制板6、隔板7、射频放大电路板8、天线安装框架9、接插件10和套筒11。
螺钉依次将压块2、GPS天线印制板4、第一BD天线印制板5、第二BD天线印制板6、隔板7和射频放大电路板8按照从上到下的顺序，固定在天线安装框架9上，中部开口的天线罩3设置在GPS天线印制板4上，压块2位于所述天线罩3的中部开口处。
天线罩(3)是跟GPS天线印制板(4)有一面接触，而天线罩(3)的四周设置有四个螺钉，依次贯穿天线罩(3)、GPS天线印制板(4)、第一BD天线印制板(5)、第二BD天线印制板(6)、隔板(7)和射频放大电路(8)，最终固定在天线安装框架(9)上，将上述几个部分紧固。
如图1所示，天线罩3采用介电常数为2.2的聚四氟乙烯板加工而成。天线罩3的长度在在60mm到70mm之间，宽度在50mm到60mm之间。天线罩的主要作用是保护GPS天线印制板等。压块2的高度为4mm到5mm之间。
如图6所示，馈针1为大头针形式，馈针1贯穿GPS天线印制板4、第一BD天线印制板5、第二BD天线印制板6、隔板7和射频放大电路板8，且馈针1的大头一端焊接在射频放大电路板8上,另一端与GPS天线印制板4焊接。
馈针1由黄铜加工制作而成。长度在12mm到18mm之间。采用大头针形式的好处是，大头的一侧可以勾住射频放大电路板8的焊盘，使得焊接更牢固。另一侧较尖，可以有效地穿过射频放大电路板8，隔板7、第二BD天线印制板6、第一BD天线印制板5、GPS天线印制板4并焊接牢固。馈针1的作用是实现射频放大电路板8和GPS天线印制板4之间的射频信号传输，也就是馈电。
如图3所示，GPS天线印制板4与第一BD天线印制板5接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，且在该圆环形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节GPS工作频率范围，GPS天线印制板4的介质层采用TMM10材料。
GPS天线印制板4的介质层厚度为3.81mm，GPS天线印制板4的外径在35mm到40mm之间，内径在10mm到15mm之间，调谐齿的长度在2mm到5mm之间，宽度在2mm到3mm之间。
GPS天线印制板4的上下表面的金属形状通过腐蚀得到。调谐齿的作用在于：当介质层TMM10的介电常数偏离规定值较大时，会带来误差造成天线工作频率发生偏移。通过切割调谐齿，使得天线工作频率位于中心频率。这样天线的各项指标最优。
如图4、图5所示，第一BD天线印制板5与第二BD天线印制板6接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆形覆铜，且在该圆形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围，第一BD天线印制板5的介质层采用TMM6材料。
第一BD天线印制板5的介质层厚度为3.81mm，第一BD天线印制板5的直径在40mm到50mm之间，调谐齿的长度在4mm到7mm之间，宽度在0.5mm到1.5mm之间。
如图5所示，第二BD天线印制板6与隔板7接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，第二BD天线印制板6的介质层采用TMM6材料。
第二BD天线印制板6的介质层厚度为3.81mm，第二BD天线印制板6的外径在4mm到5mm之间，内径在2mm到3mm之间。其中第二BD天线印制板6的主要作用为金属化孔接地，保证与BD1天线印制板5背面地良好接触。
如图4所示，第一BD天线印制板5和第二BD天线印制板6是两层当成一层来使用。因为要覆盖BDB1、B3工作频率，单层天线印制板带宽无法满足要求。为了扩展带宽，采用两层TMM6的方式来扩展带宽。这样各项指标可以满足系统要求。
套筒11焊接在射频放大电路板8上，接插件10固定安装在天线安装框架9上，接插件10的内芯深入套筒11内部。
所述隔板7、天线安装框架9和套筒11为金属材料，射频放大电路板8与隔板7接触的一侧覆铜，另一侧设置电路元器件。
如图1所示，射频放大电路板8和隔板7的尺寸长度均在60mm到68mm之间，宽度在50mm到58mm之间。射频放大电路板8的作用可以提高天线增益，保证整机天线具有高增益、高灵敏度、相位中心稳定等优点；隔板7的主要作用是保护射频放大电路板8。隔板7将射频放大电路板8和第二BD天线印制板6隔开。在天线安装框架9的内部空腔里填充吸波材料，可以有效避免自激，提高天线的电磁兼容性能。
GPS天线印制板4上的圆环状覆铜上设置有两个馈针孔，一个馈针孔位于XOY坐标系中的(-7.3mm，7.3mm)位置，另一个馈针孔位于位于XOY坐标系中的(-7.3mm，-7.3mm)位置，所述XOY坐标系的原点为圆环状覆铜的圆心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。
本设计采用双端口同轴馈电的方式，可以改善天线在宽角域范围内的辐射特性，提高天线在宽角域范围内的轴比特性、相位中心特性及抗干扰能力等。GPS天线印制板4激励起辐射电磁波以后，可以把能量耦合到第一BD天线印制板5上去，这样第一BD天线印制板5也可以激励起辐射电磁波信号。天线就可以实现四个频段同时工作，大大提高了系统的可靠性。
实施例：
1、馈针1的高度为14.7mm。压块2的高度为4.4mm。
2、天线罩3的长度为68mm，宽度为60mm，内径为32mm。
3、GPS天线印制板4的外径为38.4mm，内径为12.5mm；调谐齿长度为4mm，宽度为2.8mm。
4、第一BD天线印制板5的直径为46mm，调谐齿长度为5.4mm，宽度为0.8mm。第二BD天线印制板6外径为5mm，内径为2.6mm。
5、隔板7和射频放大电路板8的长宽尺寸相同，长度均为66mm，宽度均为58mm。隔板7厚度0.5mm。
6、整机天线的尺寸为长度95.82mm，宽度76.2mm，高度方向不超过25mm(不含接插件等外围突出部分)。总高度不超过40mm。国外同类天线的长度为119.4mm。本发明比国外同类天线要小。
经过大量仿真及加工测试，该天线能够充分覆盖GPSL1、L2、BDB1、B3的频率范围，并且在-60°到+60°角域范围内相位中心稳定度≤2.5mm。天线增益高于35dB，轴比≤4dB。增益与国外同类产品相当，但是尺寸比国外的小，而且实测重量215g，比国外同类导航天线重量轻50g。由于重量轻，本发明可以多个天线组合使用，进行复合定位，提高系统定位及测量精度。本发明产品已经经过飞行试验考核，性能良好。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (10)

1.一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：包括馈针(1)、压块(2)、天线罩(3)、GPS天线印制板(4)、第一BD天线印制板(5)、第二BD天线印制板(6)、隔板(7)、射频放大电路板(8)、天线安装框架(9)、接插件(10)和套筒(11)；
螺钉依次将压块(2)、GPS天线印制板(4)、第一BD天线印制板(5)、第二BD天线印制板(6)、隔板(7)和射频放大电路板(8)按照从上到下的顺序，固定在天线安装框架(9)上，中部开口的天线罩(3)设置在GPS天线印制板(4)上，压块(2)位于所述天线罩(3)的中部开口处；
馈针(1)为大头针形式，馈针(1)贯穿GPS天线印制板(4)、第一BD天线印制板(5)、第二BD天线印制板(6)、隔板(7)和射频放大电路板(8)，且馈针(1)的大头一端焊接在射频放大电路板(8)上,另一端与GPS天线印制板(4)焊接；
套筒(11)焊在射频放大电路板(8)上，接插件(10)固定安装在天线安装框架(9)上，接插件(10)的内芯深入套筒(11)内部。
2.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述GPS天线印制板(4)与第一BD天线印制板(5)接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，且在该圆环形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节GPS工作频率范围，GPS天线印制板(4)的介质层采用TMM10材料。
3.根据权利要求2所述的一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述GPS天线印制板(4)的介质层厚度为3.81mm，GPS天线印制板(4)的外径在35mm到40mm之间，内径在10mm到15mm之间，调谐齿的长度在2mm到5mm之间，宽度在2mm到3mm之间。
4.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述第一BD天线印制板(5)与第二BD天线印制板(6)接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆形覆铜，且在该圆形敷铜的外侧45°、135°、225°和315°的位置有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围，第一BD天线印制板(5)的介质层采用TMM6材料。
5.根据权利要求4所述的一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述第一BD天线印制板(5)的介质层厚度为3.81mm，第一BD天线印制板(5)的直径在40mm到50mm之间，调谐齿的长度在4mm到7mm之间，宽度在0.5mm到1.5mm之间。
6.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述第二BD天线印制板(6)与隔板(7)接触的一侧表面覆铜，另一侧的中部为圆环形覆铜，第二BD天线印制板(6)的介质层采用TMM6材料。
7.根据权利要求6所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述第二BD天线印制板(6)的介质层厚度为3.81mm，第二BD天线印制板(6)的外径在4mm到5mm之间，内径在2mm到3mm之间。
8.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述隔板(7)、天线安装框架(9)和套筒(11)为金属材料，射频放大电路板(8)与隔板(7)接触的一侧覆铜，另一侧设置电路元器件。
9.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：GPS天线印制板(4)上的圆环状覆铜上设置有两个馈针孔，一个馈针孔位于XOY坐标系中的(-7.3mm，7.3mm)位置，另一个馈针孔位于位于XOY坐标系中的(-7.3mm，-7.3mm)位置，所述XOY坐标系的原点为圆环状覆铜的圆心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。
10.根据权利要求1所述一种小型多频机载卫星导航天线，其特征在于：所述馈针(1)长度在12mm到18mm之间。
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