CN106785394A - 一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，包括第一板状电介质基板、刻蚀在第一板状电介质基板上的第一圆环形金属贴片、第二板状电介质基板、刻蚀在第二板状电介质基板上的第二圆环形金属贴片、辐射基板、刻蚀在辐射基板上的圆形金属贴片、第一馈电基板、第二馈电基板以及阶梯型金属桶壁，本发明核心内容在于采用外加馈电网络的多点中心对称馈电方式，使得天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，并通过保证天线整体结构关于中心对称，从而实现较小的相位中心偏差，同时通过调整第一、二圆环形金属贴片的半径和它们到圆形金属贴片的距离以及外围阶梯金属桶壁的半径可以使天线具有比较大的‑5dB波束宽度和3dB轴比波束宽度。

Description

一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线
技术领域
本发明涉及圆极化天线的技术领域，尤其是指一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线。
背景技术
近几十年来，全球卫星导航定位系统获得了飞速的发展，由于其具有精度高、覆盖范围广、全天候、响应速度快等优点，现已被广泛应用在自动驾驶、地理测绘、精准农业、石油和天然气安全监测、无人飞行器和桥梁位移监测等诸多领域中，创造了巨大的经济价值和社会效益。
天线位于无线通信系统的最前端，起到将电路中的电信号和自由空间中电磁波相互转换的作用，是整个系统中至关重要的一环，天线性能的好坏将直接影响到系统的通信质量。圆极化天线由于能够克服电磁波穿透大气电离层时发生的法拉第旋转效应，且能够接收任意极化方向的来波，因此被广泛应用在卫星通信系统中。
现如今对于卫星导航系统的定位精度要求越来越高，这就要求天线具有稳定的相位中心。又由于这四大卫星导航系统在卫星定位服务的精确度、安全性、可靠性和可用性方面各有优缺点，如果能够在用户端实现全球兼容，那么就可以充分发挥各大卫星导航系统的技术优势，最终实现优势互补，因而急需研究能够融合四大卫星导航系统频段的宽频带圆极化天线。又由于卫星导航天线工作时至少要同时接收4颗卫星的信号，又根据卫星定位原理，低仰角方向的信号对定位精度的影响最大，这就要求天线必须能在低仰角时正常工作。即要求天线在theta＝85°时增益需大于-5dB。在GPS和北斗卫星导航系统中，圆极化天线通常需要它的3dB轴比波束宽度大于120°，在某些特殊场合可能需要更大的波束宽度，这样才能保证能够在地球上的任何位置都能接收到无线信号。
2010年，Chen Lin等人在IEEE Antennas Wireless Propagation Letters上发表题为“A three-fed microstrip antenna for wideband circular polarization”的文章，该天线通过一个一分三的宽带功率分配网络进行馈电，保证三个输出端口的相位依次相差120°，从而实现宽带圆极化辐射，同时采用在主辐射贴片上方加载寄生贴片的方式来进一步增大天线的阻抗带宽。
Ze-Kun Pan等人于2014年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表题为“Compact wide-beam circularly polarized patch antenna with aparasitic ring for CNSS application”的文章，该天线为双层结构，下层为圆形辐射贴片，上层为寄生金属环。通过在圆形贴片上加载两个矩形枝节来产生圆极化辐射，采用在辐射贴片正上面加载一个金属圆环方式来提高天线的波束宽度。但是该天线只能工作在点频，带宽较窄，无法提高宽频带范围内的波束宽度。
2013年，Son Xuat Ta等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表题为“Multi-band,wide-beam,circularly polarized,crossed,asymmetricallybarbed dipole antennas for GPS applications”的文章，该天线主要辐射体部分是两对交叉的印刷偶极子，相邻偶极子臂通过相位滞后微带线来提供90°的相位差，从而产生圆极化。每个偶极子臂又被分成了四个长度不同的倒钩型分枝来实现多频工作。同时通过在辐射体下方加载了一个倒锥形背腔式反射器，使得天线具有较宽的3dB轴比波束宽度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有圆极化天线难以同时具备稳定的相位中心及在宽频带范围内具有低仰角高增益和宽角度低轴比特性的缺陷，提供一种高性能的具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，该天线具有宽频带、低仰角高增益、宽轴比波束、零相位中心等优点。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，包括第一板状电介质基板、刻蚀在该第一板状电介质基板上的第一圆环形金属贴片、第二板状电介质基板、刻蚀在该第二板状电介质基板上的第二圆环形金属贴片、辐射基板、刻蚀在该辐射基板上的圆形金属贴片、第一馈电基板、第二馈电基板以及阶梯型金属桶壁；所述第一板状电介质基板和第二板状电介质基板设在辐射基板的上方，且该第一板状电介质基板位于第二板状电介质基板的上方，所述第一馈电基板和第二馈电基板设在辐射基板的下方，且该第一馈电基板叠置于第二馈电基板的上面；所述辐射基板的下表面及第一馈电基板与第二馈电基板的接触面为金属箔形成的地；所述第一馈电基板、第二馈电基板与圆形金属贴片之间由多根馈电探针以过孔的形式进行连接，且该多根探针关于圆形金属贴片的圆心呈中心对称方式设置；所述第一馈电基板的上表面和第二馈电基板的下表面分别刻蚀有宽带馈电网络，以此来为圆形金属贴片进行馈电，从而实现宽带圆极化特性；所述第一馈电基板和第二馈电基板通过同轴线进行馈电，并在同轴线旁边添加有一个金属巴伦；所述第一板状电介质基板和第二板状电介质基板通过四角设置的固定绝缘塑料螺钉与辐射基板进行固定连接；所述阶梯型金属桶壁放置在第一馈电基板的上面，把第一板状电介质基板、第二板状电介质基板、辐射基板围住；通过在圆形金属贴片的上方加载第一圆环形金属贴片、第二圆环形金属贴片及阶梯型金属桶壁，能够提高天线宽频带范围内的-5dB波束宽带和3dB轴比波束。
所述金属巴伦长约四分之一波长。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明天线采用多点对称馈电方式，整体结构关于中心对称，具有较小的相位中心偏差。
2、本发明天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，能够覆盖现如今四大卫星导航系统的频段。
3、本发明天线能在比较宽的频带范围内具有比较大的-5dB波束宽带和3dB轴比波束。
附图说明
图1为本发明天线的竖截面剖视图。
图2为第一圆环形金属贴片、第二圆环形金属贴片及所在基板的结构示意图。
图3为圆形金属贴片及所在基板和第一、二馈电基板的结构示意图
图4为本发明天线的|S11|和轴比仿真结果。
图5为本发明天线的-5-dB波束宽度随频率变化的仿真结果。
图6为本发明天线的3-dB轴比波束宽度随频率变化的仿真结果。
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3所示，本实施例所述的零相位中心卫星导航天线，包括第一板状电介质基板100、刻蚀在该第一板状电介质基板100上的第一圆环形金属贴片101、第二板状电介质基板200、刻蚀在该第二板状电介质基板200上的第二圆环形金属贴片201、辐射基板300、刻蚀在该辐射基板300上的圆形金属贴片301、第一馈电基板400、第二馈电基板500以及阶梯型金属桶壁14(优选材质为铜)；所述第一板状电介质基板100和第二板状电介质基板200设在辐射基板300的上方，且该第一板状电介质基板100位于第二板状电介质基板200的上方，所述第一馈电基板400和第二馈电基板500设在辐射基板300的下方，且该第一馈电基板400叠置于第二馈电基板500的上面；所述辐射基板300的下表面及第一馈电基板400与第二馈电基板500的接触面为金属箔形成的地11；所述第一馈电基板400、第二馈电基板500与圆形金属贴片301之间由四根馈电探针21、22、23、24以过孔的形式进行连接，且该四根探针21、22、23、24关于圆形金属贴片301的圆心呈中心对称方式设置；所述第一馈电基板400的上表面和第二馈电基板500的下表面分别刻蚀有宽带馈电网络，以此来为圆形金属贴片301进行馈电，从而实现宽带圆极化特性，对于圆形金属贴片301，本实施例的圆形金属贴片301直径选为约四分之一个波长，第一圆环形金属贴片101、第二圆环形金属贴片201的直径选为约λi/4(i＝1,2)，并且它们距圆形辐射贴片的距离约为λi/8(i＝1,2)，这里f1＝1.4GHz，f2＝1.8GHz；所述第一馈电基板400和第二馈电基板500通过同轴线12进行馈电，并在同轴线12旁边添加了一个长约四分之一波长的金属巴伦13；所述第一板状电介质基板100和第二板状电介质基板200通过四角设置的固定绝缘塑料螺钉31、32、33、34与辐射基板300进行固定连接；所述阶梯型金属桶壁14放置在第一馈电基板的上面，把第一板状电介质基板100、第二板状电介质基板200、辐射基板300围住，对于阶梯型金属桶壁，本实施例把上、下两节的半径选取为λk/4(k＝3,4)，这里f3＝1.21GHz，f4＝1.27GHz；通过在圆形金属贴片301的上方加载第一圆环形金属贴片101、第二圆环形金属贴片201及阶梯型金属桶壁14，并合理优化调整第一圆环形金属贴片101、第二圆环形金属贴片201的半径和它们距圆形金属贴片301的高度以及阶梯型金属桶壁14上、下两节的半径，可以提高天线宽频带范围内的-5dB波束宽带和3dB轴比波束。
整个天线的工作方式是电磁信号通过同轴线12输入到馈电网络中，然后由馈电网络分出四个中心对称的输出端口给圆形金属贴片301进行馈电，圆形金属贴片301上的能量会通过近场耦合的方式在第一圆环形金属贴片101、第二圆环形金属贴片201上产生感应电流，从而会和圆形金属贴片301一起参与辐射，接收信号的方式则相反。
图4是本实施例上述天线的|S11|和轴比仿真结果。由图可见，该天线10dB反射损耗范围为1.12GHz到1.86GHz，相对带宽约为49.7％。该天线3dB轴比带宽范围为1.13GHz到1.37GHz和1.41GHz到1.8GHz，相对带宽约为43％。本发明天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，能够覆盖现如今四大卫星导航系统的频段(1.16-1.62GHz)。
图5是本实施例上述天线的-5-dB波束宽度随频率变化的仿真结果。由图可见，该天线在1.21GHz到1.29GHz的频段范围内，天线的-5-dB波束宽度在120°以上，此范围内最大-5-dB波束宽度为151.2°；该天线在1.48GHz到1.63GHz的频段范围内，天线的-5-dB波束宽度在170°以上，此范围内最大-5-dB波束宽度为203.8°。本发明天线在比较宽的频带范围内的具有比较宽的-5dB波束宽带。
图6是本实施例上述天线的3-dB轴比波束宽度随频率变化的仿真结果。由图可见，该天线在1.207到1.3GHz和1.455到1.61GHz范围内，天线的3-dB轴比波束大于120°。本发明天线在比较宽的频带范围内能实现比较宽的3dB轴比波束。
综上所示，本发明天线的核心内容在于采用外加馈电网络的多点中心对称馈电方式，使得天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，并通过保证天线整体结构关于中心对称，从而实现较小的相位中心偏差，同时通过调整天线寄生的第一、二圆环形金属贴片的半径和它们到圆形金属贴片的距离以及外围阶梯金属桶壁的半径可以使天线具有比较大的-5dB波束宽带和3dB轴比波束。
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)

1.一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，其特征在于：包括第一板状电介质基板、刻蚀在该第一板状电介质基板上的第一圆环形金属贴片、第二板状电介质基板、刻蚀在该第二板状电介质基板上的第二圆环形金属贴片、辐射基板、刻蚀在该辐射基板上的圆形金属贴片、第一馈电基板、第二馈电基板以及阶梯型金属桶壁；所述第一板状电介质基板和第二板状电介质基板设在辐射基板的上方，且该第一板状电介质基板位于第二板状电介质基板的上方，所述第一馈电基板和第二馈电基板设在辐射基板的下方，且该第一馈电基板叠置于第二馈电基板的上面；所述辐射基板的下表面及第一馈电基板与第二馈电基板的接触面为金属箔形成的地；所述第一馈电基板、第二馈电基板与圆形金属贴片之间由多根馈电探针以过孔的形式进行连接，且该多根探针关于圆形金属贴片的圆心呈中心对称方式设置；所述第一馈电基板的上表面和第二馈电基板的下表面分别刻蚀有宽带馈电网络，以此来为圆形金属贴片进行馈电，从而实现宽带圆极化特性；所述第一馈电基板和第二馈电基板通过同轴线进行馈电，并在同轴线旁边添加有一个金属巴伦；所述第一板状电介质基板和第二板状电介质基板通过四角设置的固定绝缘塑料螺钉与辐射基板进行固定连接；所述阶梯型金属桶壁放置在第一馈电基板的上面，把第一板状电介质基板、第二板状电介质基板、辐射基板围住；通过在圆形金属贴片的上方加载第一圆环形金属贴片、第二圆环形金属贴片及阶梯型金属桶壁，能够提高天线宽频带范围内的-5dB波束宽带和3dB轴比波束。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，其特征在于：所述金属巴伦长四分之一波长。
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