CN106711590B - 一种小型抗多径干扰的宽带gnss天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，包括圆形辐射单元、微带线功分移相网络、三角形辐射单元、过孔、馈电过孔、圆形介质基板、圆盘形地板、同轴导体、馈电同轴内导体、金属圆筒；圆形辐射单元设在圆形介质基板的正面上方；微带线功分移相网络设在圆形介质基板背面，圆形辐射单元高于三角形辐射单元，三角形辐射单元垂直于圆形介质基板，采用环形阵列分布于圆形介质基板上；圆盘形地板设置在圆形介质基板的正面；所述圆盘形地板的边缘围有金属圆筒；过孔和馈电过孔贯穿圆盘形地板和圆形介质基板；同轴导体穿过过孔，馈电同轴内导体穿过馈电过孔。本发明具有小型、抗多径干扰、宽带、低轴比、增益平稳等特点。

Description

一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其是指一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线。
背景技术
GNSS是指全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，GNSS天线是接收卫星信号的终端天线。一直以来，GNSS天线都是各国非常重视的一个重要研究领域，对于军用方面的重要性不言而喻，同时因为定位系统对民用生活越来越重要，而定位精度主要取决于天线的精度，因此GNSS天线的研究一直都是各国科学家研究的前沿阵地。同时，因为GNSS天线工作频带比较宽，应用的环境比较恶劣，设计宽带高性能的GNSS天线并不容易，这也是GNSS天线设计的一个难点。
随着中国北斗导航系统的加入，卫星导航产业得到不断发展。为了便于接收信号，GNSS天线采用圆极化方式。常用的卫星通讯频段有GPS：L1：1575MHz，L2：1227MHz，L5:1176MHz；北斗二代：B1:1561MHz；B2:1207MHz；B3:1268MHz；GLONASS：1612MHz。若设计一款天线能覆盖当前所有GNSS信号，则带宽至少需要覆盖1160MHz-1615MHz，尤其是在1.175GHz和1.575GHz这个频点附近。GNSS天线主要采用右旋圆极化方式，由此带来天线信号被反射变成左旋圆极化信号，导致接收天线容易受到多径衰落和干扰的问题，这是影响卫星定位系统精度的极大问题。此外，卫星天线信号较弱，GNSS接收天线需要较高且较平稳的增益；圆极化天线还面临着较大频率范围内相位不稳定的问题，另外天线需要在较低的仰角内接收信号，这样才能实现更精确定位。因此要设计一款抗多径干扰、高回波损耗、增益高且平稳的宽带GNSS天线是一个难点。
GNSS天线近70年的研究成果对现阶段学习研究提供了很多参考依据，抗多径干扰的研究也已经有不少成果，目前抗多径干扰天线的主要方法有三个：(1)因为入射到天线的直达信号是右旋圆极化波，而大多数多径信号是一次反射引起的，其极化方式由右旋圆极化变为左旋圆极化，且天线低仰角的轴比性能一般较差，所以，对于从低仰角进入天线的多径信号而言，轴比性能的提高对多径幅度的衰减很重要。(2)通过设计天线的方向图，可以使接收天线在多径信号到达的方向增益较小，主要体现在降低天线低仰角和后向增益上。(3)采用扼流圈技术，削弱多径信号，这也是目前不少业内人士研究的方向。实现宽带圆极化的方式多样，结构也有很大差异；实现低轴比、高增益的方法主要是结构高度对称，有效辐射单元面积尽量大。多谐振是多个辐射单元产生的多个谐振点组合，或者引入寄生单元来产生宽带。多模实现圆极化主要借助微带天线多模特性，通过各种枝节加载来分解高次模，使主模和高次模在特定频段上近似正交简并模，以此实现圆极化。
轴比是衡量天线圆极化特性的重要指标，其定义为极化椭圆长轴和短轴的比值，通常用取对数来表示，它代表圆极化的纯度。轴比是影响天线接收信号的最主要因素，对天线的抗多径干扰也起到重要影响，实现抗多径干扰的其中一种方式就是降低天线的轴比，尤其是在theta＝90°或者更大时，如果天线的轴比较低，同时交叉极化比很大，那么天线的抗多径干扰性能就比较好。
早在2001年，李克等人就提出一种抗多径干扰的智能天线，该天线利用天线阵列，同时接受各路信号，对天线的信号强度进行分析，然后比较接收的时间差，转换为相位差，经过信号处理，滤出干扰信号实现抗多径干扰天线。
满丰等人于2011年发表题为“多频GNSS抗多径天线的设计和实现”的论文。文中提到一种引入立体扼流圈来实现抗多径干扰的GNSS天线，该天线采用四臂螺旋辐射结构实现天线主要辐射，同时在天线周围叠加四层具有厚度的扼流圈来达到抗多径干扰的目的。该天线的扼流圈高度约为四分之一波长，厚度约为十分之一波长，阶梯状排布，从而抑制表面波，对反射的多径信号进行抑制。该天线的抗多径干扰工作频点主要在B1/B2/B3，具有较好特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，该GNSS天线具有小型、抗多径干扰、宽带、低轴比、增益平稳等特点，所述GNSS天线适合用于卫星导航设备上。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，包括圆形辐射单元、微带线功分移相网络、三角形辐射单元、过孔、馈电过孔、圆形介质基板、圆盘形地板、同轴导体、馈电同轴内导体、金属圆筒；所述圆形辐射单元设在圆形介质基板的正面上方，并与该圆形介质基板同圆心；所述微带线功分移相网络设置在圆形介质基板的背面，由花朵型微带线、直线型微带线、威尔金森功分器、隔离电阻、阻抗变换微带线、匹配网络调节枝节构成；所述圆形辐射单元高于三角形辐射单元，两者之间产生耦合，所述圆形辐射单元与三角形辐射单元通过耦合产生圆极化辐射，其中所述三角形辐射单元垂直于圆形介质基板，并以圆形介质基板的圆心为中心，采用环形阵列分布于圆形介质基板上，所述三角形辐射单元与微带线功分移相网络连接，主要实现微带线功分移相网络端口的阻抗过渡，所述圆形辐射单元和三角形辐射单元共同实现天线的辐射；所述圆盘形地板设置在圆形介质基板的正面，起反射作用，用于隔离微带线功分移相网络与圆形辐射单元以提高天线增益；所述圆盘形地板的边缘围有金属圆筒，所述金属圆筒与圆盘形地板相连，并与圆形辐射单元等高，用于拓宽轴比波束宽度和降低轴比，并增强匹配和抗多径干扰；所述过孔和馈电过孔贯穿圆盘形地板和圆形介质基板；所述同轴导体穿过过孔将三角形辐射单元与微带线功分移相网络相连；所述馈电同轴内导体穿过馈电过孔给天线馈电。
所述圆形辐射单元的外边缘与金属圆筒靠近，增大辐射面积的同时提高阻抗匹配，并且降低天线轴比，在theta＝90°时有较低的轴比，实现抗多径干扰。
所述过孔与馈电过孔的半径相同，且比同轴导体和馈电同轴内导体的半径大。
所述圆盘形地板的半径与圆形介质基板相同。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、与已有的GNSS天线相比，本发明采用两个辐射单元耦合，能够实现较好的圆极化，本发明的圆形辐射单元结构辐射面积大、规则简单易于加工、中心对称分布；所述三角形辐射单元与微带线功分移相网络结合后，天线整体具有较低的轴比、较好的抗多径干扰特性。
2、与已有的GNSS天线相比，本发明天线具有更小的尺寸、更新颖的结构、更宽的轴比频率带宽、更低的轴比、较大的回波损耗、较高且平稳的增益，相比于已有GNSS天线，具有更好的性能。
附图说明
图1为本发明GNSS天线实例的俯视与截面组合示意图。
图2为本发明GNSS天线实例去掉圆形辐射单元的俯视与截面组合示意图。
图3为本发明GNSS天线实例的微带线功分移相网络示意图。
图4为本发明GNSS天线实例的立体图。
图5为本发明GNSS天线实例的S11仿真示意图。
图6为本发明GNSS天线实例的轴比仿真示意图。
图7为本发明GNSS天线实例的增益仿真示意图。
图8为本发明GNSS天线实例1.175GHz交叉极化比增益。
图9为本发明GNSS天线实例1.175GHz轴比波束宽度示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本实施例所述的小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，包括圆形辐射单元1、圆形介质基板2、四个过孔3、馈电过孔4、四个同轴导体5、馈电同轴内导体6、圆盘形地板7、微带线功分移相网络、四个三角形辐射单元14和金属圆筒15。所述圆形辐射单元1设在圆形介质基板2的正面上方，高度为25mm，并与该圆形介质基板2同圆心，用于产生圆极化辐射，所述圆形介质基板2的材料是FR_4、介电常数为4.4、厚度为1mm、半径为54mm。所述微带线功分移相网络设置在圆形介质基板2的背面，由花朵型微带线8、直线型微带线9、威尔金森功分器10、隔离电阻11、阻抗变换微带线12、匹配网络调节枝节13构成，实现功率一分四、相位差分别为0°、90°、180°、270°。所述圆形辐射单元1高于三角形辐射单元14，两者之间产生耦合，所述圆形辐射单元1与三角形辐射单元14通过耦合产生圆极化辐射；所述三角形辐射单元14与微带线功分移相网络连接，且垂直于圆形介质基板2，并以圆形介质基板2的圆心为中心，采用环形阵列分布于圆形介质基板2上，主要实现微带线功分移相网络端口的阻抗过渡，所述圆形辐射单元1和三角形辐射单元14共同实现天线的辐射；所述圆盘形地板7设置在圆形介质基板2的正面，其半径与圆形介质基板2相同，起反射作用，用于隔离微带线功分移相网络与圆形辐射单元1以提高天线增益。所述圆盘形地板7的边缘围有金属圆筒15，所述金属圆筒15与圆盘形地板7相连，并与圆形辐射单元1等高，用于拓宽轴比波束宽度、降低轴比。所述圆形辐射单元1的外边缘与金属圆筒15靠近，增大辐射面积的同时提高阻抗匹配，并且能降低天线轴比，在theta＝90°时有较低的轴比，实现抗多径干扰。所述过孔3和馈电过孔4贯穿圆盘形地板7和圆形介质基板2，所述同轴导体5穿过过孔3将三角形辐射单元14与微带线功分移相网络相连，所述馈电同轴内导体6穿过馈电过孔4给天线馈电。过孔3与馈电过孔4的半径相同，且比同轴导体5和馈电同轴内导体6的半径大。
本实施例中的连接圆形辐射单元1、三角形辐射单元14能产生圆极化辐射的电磁辐射场；所述圆盘形地板7能隔离圆形辐射单元1和微带线功分移相网络；所述金属圆筒15能够抑制表面波并抗多径干扰，同时起到降低轴比、提高轴比波束宽度、稳定增益、增强匹配、抑制反射信号的作用。
图5是本实施例宽带GNSS天线的S11仿真结果，从图中可以看出，该实施例的-15dB带宽覆盖1.12GHz-1.62GHz，其-15dB相对阻抗带宽为35.7％，完全覆盖当前GNSS通信频段。
图6是本实施例宽带GNSS天线的轴比特性曲线，从图中可以看出，在-15dB阻抗带宽内实施例的轴比不超过0.8dB，具有高度圆极化特性，尤其是在1.175GHz和1.575GHz两个主要GNSS通信频段更是不超过0.4dB，具有极低的轴比,拥有高度圆极化。
图7是本实施例宽带GNSS天线的左旋圆极化和右旋圆极化的增益仿真结果，从图中可以看出，右旋圆极化在阻抗带宽频段内的增益均高于5dB且保持稳定，而左旋圆极化的在该阻抗带宽内的增益均小于-20dB，尤其是在1.175GHz和1.575GHz两个主要GNSS通信频段分别低于-27dB和-35dB，具有极好的右旋圆极化属性，更容易接收GNSS的右旋圆极化信号，并抑制反射的多径干扰信号。
图8是本实施例宽带GNSS天线1.175GHz的交叉极化比增益，从图中可以看出此频率下，phi＝0°和phi＝90°对应的17.5dB波束宽度超过200°，具有超宽波束特性。
图9是本实施例宽带GNSS天线1.175GHz的轴比波束宽度，从图中可以看出此频率下的3-dB轴比波束宽度超过200°，意味着在theta＝±90°时其轴比低于3dB。
综合图8和图9的结果来看，本发明GNSS天线在宽轴比波束宽度的同时，天线交叉极化比增益也很高，在theta＝±90°时其轴比低于3dB，同时交叉极化比增益也高于17.5dB，具有突出的抗多径干扰性能，另外在GNSS通信频段内天线的回波损耗超15dB，对信号发射机的影响比较小，值得推广。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，其特征在于：包括圆形辐射单元、微带线功分移相网络、三角形辐射单元、过孔、馈电过孔、圆形介质基板、圆盘形地板、同轴导体、馈电同轴内导体、金属圆筒；所述圆形辐射单元设在圆形介质基板的正面上方，并与该圆形介质基板同圆心；所述微带线功分移相网络设置在圆形介质基板的背面，由花朵型微带线、直线型微带线、威尔金森功分器、隔离电阻、阻抗变换微带线、匹配网络调节枝节构成；所述圆形辐射单元高于三角形辐射单元，两者之间产生耦合，所述圆形辐射单元与三角形辐射单元通过耦合产生圆极化辐射，其中所述三角形辐射单元垂直于圆形介质基板，并以圆形介质基板的圆心为中心，采用环形阵列分布于圆形介质基板上，所述三角形辐射单元与微带线功分移相网络连接，实现微带线功分移相网络端口的阻抗过渡，所述圆形辐射单元和三角形辐射单元共同实现天线的辐射；所述圆盘形地板设置在圆形介质基板的正面，起反射作用，用于隔离微带线功分移相网络与圆形辐射单元以提高天线增益；所述圆盘形地板的边缘围有金属圆筒，所述金属圆筒与圆盘形地板相连，并与圆形辐射单元等高，用于拓宽轴比波束宽度和降低轴比，并增强匹配和抗多径干扰；所述过孔和馈电过孔贯穿圆盘形地板和圆形介质基板；所述同轴导体穿过过孔将三角形辐射单元与微带线功分移相网络相连；所述馈电同轴内导体穿过馈电过孔给天线馈电；所述圆形辐射单元的外边缘与金属圆筒靠近，增大辐射面积的同时提高阻抗匹配，并且能降低天线轴比，实现抗多径干扰；所述过孔与馈电过孔的半径相同，且比同轴导体和馈电同轴内导体的半径大。
2.根据权利要求1所述的一种小型抗多径干扰的宽带GNSS天线，其特征在于：所述圆盘形地板的半径与圆形介质基板相同。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108777358B (zh) * 2018-06-06 2020-04-28 重庆大学 一种基于近场耦合原理的半球形宽带电小天线
CN109411904B (zh) * 2018-12-11 2023-09-19 天津七六四通信导航技术有限公司 一种十六阵元天线
CN112086735B (zh) * 2020-09-10 2023-09-08 浙江金乙昌科技股份有限公司 内部集成放大电路的微带功分电路

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811099A (zh) * 2016-04-22 2016-07-27 西安电子科技大学 一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811099A (zh) * 2016-04-22 2016-07-27 西安电子科技大学 一种小型卫星导航天线及其抗多径干扰腔体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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杨彦炯 ; 栗曦 ; 杨林 ; 王伊 ; 龚书喜 ; .宽带圆极化锥形辐射单元阵列天线的设计.2011,(第02期),全文. *

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