CN109037931A - 双频双圆极化北斗导航天线及北斗卫星导航终端设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双频双圆极化北斗导航天线及北斗卫星导航终端设备，所述天线包括第一介质基板、第二介质基板、第一辐射贴片、第二辐射贴片、地板和馈电探针，所述第一辐射贴片、第一介质基板、第二辐射贴片、第二介质基板和地板从上到下依次设置，所述馈电探针的第一端与地板连接，馈电探针的第二端依次通过第二介质基板、第二辐射贴片与第一辐射贴片连接；所述北斗卫星导航终端包括上述的天线。本发明在具备双频双圆极化特性的基础上，具有结构简单、带宽大、成本低和易加工等优点。

Description

双频双圆极化北斗导航天线及北斗卫星导航终端设备
技术领域
本发明涉及一种北斗导航天线，尤其是一种双频双圆极化北斗导航天线及北斗卫星导航终端设备，属于天线技术领域。
背景技术
随着通信技术的发展，全球卫星定位与通信系统由其高定位精度、广覆盖范围和快响应速度等优点被广泛应用于军民领域。目前已有的全球卫星导航系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和由中国自主研发的北斗卫星导航系统。现在的北斗卫星导航系统已经具备了在中国及周边地区范围内的定位、报文和授时功能，并在电信、交通运输、渔业、测绘、水利、勘探、森林防火和国家安全等领域发挥重要的作用。
北斗卫星导航系统分为北斗一代卫星导航系统和北斗二代卫星导航系统，其中已建成并开放使用的北斗一代卫星导航系统工作于两个频段，L频段以左旋圆极化工作，S频段以右旋圆极化工作，可见实现北斗导航天线的双频圆极化在实际应用中有着重要的意义。但多数双频圆极化天线采用多点馈电存在馈电复杂的缺点；一般市场上的北斗导航天线大多使用高介电常数的陶瓷材料作为介质板材料，使得天线的阻抗带宽和轴比带宽较窄，亦增加了北斗一代天线的加工成本。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足之处，提供一种双频双圆极化北斗导航天线，该天线在具备双频双圆极化特性的基础上，具有结构简单、带宽大、成本低和易加工等优点。
本发明的另一目的在于提供一种北斗卫星导航终端设备。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
双频双圆极化北斗导航天线，包括第一介质基板、第二介质基板、第一辐射贴片、第二辐射贴片、地板和馈电探针，所述第一辐射贴片、第一介质基板、第二辐射贴片、第二介质基板和地板从上到下依次设置，所述馈电探针的第一端与地板连接，馈电探针的第二端依次通过第二介质基板、第二辐射贴片与第一辐射贴片连接。
进一步的，所述第一辐射贴片贴附在第一介质基板的上表面，所述第二辐射贴片贴附在第一介质基板的下表面，所述地板贴附在第二介质基板的下表面。
进一步的，所述第一介质基板的尺寸小于第二介质基板的尺寸。
进一步的，所述第一介质基板和第二介质基板的截面形状为正方形。
进一步的，所述第一辐射贴片上设有两个等腰三角形切角、两个矩形枝节和两个L形枝节，所述两个等腰三角形切角分别位于第一辐射贴片两个相对的角上，所述两个矩形枝节分别位于两个等腰三角形切角上，所述两个L形枝节分别与第一辐射贴片连接。
进一步的，所述等腰三角形的直角边长为13mm～14mm，所述两个矩形枝节的长度为11mm～12mm，宽度为5mm～6mm，所述两个L形枝节的宽度为2mm～3mm。
进一步的，所述第二辐射贴片上设有两个等腰三角形切角、两个L形切角和矩形缝隙，两个等腰三角形切角分别位于第二辐射贴片其中两个相对的角上，所述两个L形切角分别位于第二辐射贴片另外两个相对的角上，所述矩形缝隙位于第二辐射贴片的中心。
进一步的，所述等腰三角形的直角边长为9mm～10mm，所述两个L形切角的宽度为0.8mm～1.2mm，所述矩形缝隙的长度为7mm～8mm，宽度为1mm～2mm。
进一步的，所述第二辐射贴片上还设有过孔，所述过孔可使馈电探针通过。
进一步的，所述过孔的半径为0.8mm～1.2mm。
进一步的，所述馈电探针采用同轴线，同轴线第一端的外表面与地板连接，同轴线第二端的内芯依次通过第二介质基板、第二辐射贴片与第一辐射贴片连接。
进一步的，所述同轴线的特征阻抗为50Ω。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
北斗卫星导航终端设备，所述设备包括上述的双频双圆极化北斗导航天线。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明天线设置了上、下两层介质基板以及上、下两层辐射贴片，通过层叠的方式实现了双频双圆极化，并且采用单个馈电探针进行馈电，这种单馈点馈电的方式，在带宽性能不差的情况下相较多点馈电方式具有馈电简单的优点。
2、本发明天线在上层辐射贴片的两个相对的角上进行等腰三角形切角，并且这两个切角上分别设置矩形枝节，另外上层辐射贴片上还设置两个L形枝节，通过加载两个矩形枝节和两个L形枝节，能够有效地激励起多个谐振点，相比通常的矩形贴片天线，天线带宽更大。
3、本发明天线在下层辐射贴片的其中两个相对的角上进行等腰三角形切角，另外两个相对的角上进行L形切角，通过增加等腰三角形切角和L形切角，可以产生更好的圆极化性能。
4、本发明天线在L频段实现了左旋圆极化，阻抗带宽9.2％，轴比带宽1.6％；在S频段实现了右旋圆极化，阻抗带宽4.9％，轴比带宽1.1％，其阻抗带宽好于一般的微带贴片天线，具有较好的阻抗带宽特性，并且轴比带宽都大于1％，能够满足北斗卫星导航系统的工作指标。
附图说明
图1为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线侧视结构图。
图2为本发明实施例1的第一辐射贴片俯视结构图。
图3为本发明实施例1的第二辐射贴片俯视结构图。
图4为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线反射系数仿真图。
图5为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线在L频段轴比仿真图。
图6为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线在S频段轴比仿真图。
图7为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线在1.616GHz时的辐射特性仿真图。
图8为本发明实施例1的双频双圆极化北斗导航天线在2.492GHz时的辐射特性仿真图。
其中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-第一辐射贴片，4-第二辐射贴片，5-地板，6-馈电探针，7-第一等腰三角形切角，8-矩形枝节，9-L形枝节，10-第二等腰三角形切角，11-L形切角，12-矩形缝隙，13-过孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种双频双圆极化北斗导航天线，该天线能够很好地应用于北斗卫星导航终端设备，其包括第一介质基板1、第二介质基板2、第一辐射贴片3、第二辐射贴片4、地板5和馈电探针6。
所述第一介质基板1和第二介质基板2分别为上、下两层介质基板，第一辐射贴片3和第二辐射贴片4分别为上、下两层辐射贴片，第一辐射贴片3、第一介质基板1、第二辐射贴片4、第二介质基板2和地板5从上到下依次设置，通过层叠的方式实现了双频双圆极化，具体地，第一辐射贴片3贴附在第一介质基板1的上表面，第二辐射贴片4贴附在第一介质基板1的下表面，地板5贴附在第二介质基板2的下表面。
进一步地，第一介质基板1的尺寸小于第二介质基板2的尺寸，并且第一介质基板1和第二介质基板2的截面均为正方形，第一介质基板1的截面边长为43mm，高度h1为1.6mm，第二介质基板2的截面边长为70mm，高度h2为3.2mm，即第一介质基板1的整体尺寸为43mm×43mm×1.6mm，第二介质基板2的整体尺寸为70mm×70mm×3.2mm。
更进一步地，第一介质基板1和第一介质基板2均采用FR4介质板材，在介质材料的选择方面可以降低很大的成本，相对介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02。
如图2所示，所述第一辐射贴片3上设有两个第一等腰三角形切角7、两个矩形枝节8和两个L形枝节9，两个第一等腰三角形切角7分别位于第一辐射贴片3两个相对的角上，两个矩形枝节8分别位于两个第一等腰三角形切角7上，两个L形枝节9分别与第一辐射贴片3连接，其中等腰三角形的直角边长为13.3mm，矩形枝节8的长度为11.5mm，宽度5.3mm，即整体尺寸为11.5mm×5.3mm，L形枝节的宽度2.6mm，通过加载矩形枝节8和L形枝节9，主要是为了有效的激励起多个谐振点，使天线的带宽变宽。
如图3所示，所述第二辐射贴片4主要用于辐射北斗卫星导航系统的上行L频段(1.616GHz)，极化方式为左旋圆极化，所述上层辐射金属贴片3主要用于辐射北斗卫星导航系统的下行S频段(2.492GHz)，极化方式为右旋圆极化，第二辐射贴片4上设有上设有两个第二等腰三角形切角10、两个L形切角11和矩形缝隙12，两个第二等腰三角形切角10分别位于第二辐射贴片4其中两个相对的角上，两个L形切角11分别位于第二辐射贴片4另外两个相对的角上，矩形缝隙12位于第二辐射贴片4的中心，在矩形缝隙12的作用下，其中等腰三角形直角边长为9.2mm，L形切角11的宽度为1mm，矩形缝隙12的长度为7.5mm，宽度为1.5mm，通过增加第二等腰三角形切角10和L形切角11，主要是为了天线可以产生更好的圆极化性能；进一步地，第二辐射贴片4上还设有过孔(金属过孔)13，该过孔13可使馈电探针6通过，其半径可以为1mm。
如图1～图3所示，所述馈电探针6具有第一端以及与第一端相反的第二端，其中第一端为下端，第二端为上端，馈电探针6的第一端与地板5连接，馈电探针6的第二端依次通过第二介质基板2、第二辐射贴片4的过孔13与第一辐射贴片3连接，具体地，馈电探针6采用特征阻抗为50Ω的同轴线，同轴线第一端的外表面与地板5连接，同轴线第二端的内芯依次通过第二介质基板2、第二辐射贴片4的过孔13与第一辐射贴片3连接，采用单个馈电探针6进行馈电，这种单馈点馈电的方式，在带宽性能不差的情况下相较多点馈电方式具有馈电简单的优点。
上述实施例中，所述第一辐射贴片3、第二辐射贴片4和地板5均采用金属材料制成，金属材料可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种，或可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂任意一种的合金。
如图4所示，本实施例的双频双圆极化北斗导航天线工作在两个频段，从图中可以看出该天线在L频段的-10dB阻抗带宽为1.529GHz～1.678GHz，绝对带宽为0.149GHz，相对带宽为9.2％；在S频段的-10dB阻抗带宽为2.432GHz～2.553GHz，绝对带宽为0.121GHz，相对带宽为4.9％。本实施例阻抗带宽好于一般的微带贴片天线，具有较好的阻抗带宽特性。
如图5所示，为本实施例的双频双圆极化北斗导航天线在L频段的轴比特性曲线图，从图中可以看出该天线在L频段的3dB轴比带宽为1.601GHz～1.627GHz，绝对带宽为0.026GHz，相对带宽为1.6％；如图6所示，为本实施例的双频双圆极化北斗导航天线在S频段的轴比特性曲线图，从图中可以看出该天线在S频段的3dB轴比带宽为2.483GHz～2.511GHz，绝对带宽为0.028GHz，相对带宽为1.1％。轴比带宽都大于1％，能够满足北斗卫星导航系统的工作指标。
如图7所示，为本实施例的双频双圆极化北斗导航天线在1.616GHz时的辐射特性曲线图，从图中可以看出该天线在1.616GHz的最大增益为2.7dB，在法线方向上交叉极化小于30dB；如图8所示，为本实施例的双频双圆极化北斗导航天线在2.492GHz时的辐射特性曲线图，从图中可以看出，该天线在2.492GHz的最大增益为4.4dB，在法线方向上的交叉极化小于20dB。
实施例2：
本实施例的主要特点是：第一辐射贴片3中，等腰三角形的直角边长还可以13mm、14mm等，矩形枝节8的长度还可以为11mm、12mm等，宽度还可以为5mm、6mm等，L形枝节9的宽度还可以为2mm、3mm等。其余同实施例1。
实施例3：
本实施例的主要特点是：第二辐射贴片4中，等腰三角形的直角边长还可以为9mm、14mm等，L形切角10的宽度还可以为0.8mm、1.2mm等，矩形缝隙12的长度还可以为7mm、8mm等，宽度还可以为1mm、2mm等，过孔13的半径为0.8mm、1.2mm等。其余同实施例1。
综上所述，本发明天线设置了上、下两层介质基板以及上、下两层辐射贴片，通过层叠的方式实现了双频双圆极化，并且采用单个馈电探针进行馈电，这种单馈点馈电的方式，在带宽性能不差的情况下相较多点馈电方式具有馈电简单的优点；在上层辐射贴片的两个相对的角上进行等腰三角形切角，并且这两个切角上分别设置矩形枝节，另外上层辐射贴片上还设置两个L形枝节，通过加载两个矩形枝节和两个L形枝节，能够有效地激励起多个谐振点，相比通常的矩形贴片天线，天线带宽更大；在下层辐射贴片的其中两个相对的角上进行等腰三角形切角，另外两个相对的角上进行L形切角，通过增加等腰三角形切角和L形切角，可以产生更好的圆极化性能。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：包括第一介质基板、第二介质基板、第一辐射贴片、第二辐射贴片、地板和馈电探针，所述第一辐射贴片、第一介质基板、第二辐射贴片、第二介质基板和地板从上到下依次设置，所述馈电探针的第一端与地板连接，馈电探针的第二端依次通过第二介质基板、第二辐射贴片与第一辐射贴片连接。
2.根据权利要求1所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述第一介质基板的尺寸小于第二介质基板的尺寸。
3.根据权利要求1所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述第一辐射贴片上设有两个等腰三角形切角、两个矩形枝节和两个L形枝节，所述两个等腰三角形切角分别位于第一辐射贴片两个相对的角上，所述两个矩形枝节分别位于两个等腰三角形切角上，所述两个L形枝节分别与第一辐射贴片连接。
4.根据权利要求3所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述等腰三角形的直角边长为13mm～14mm，所述两个矩形枝节的长度为11mm～12mm，宽度为5mm～6mm，所述两个L形枝节的宽度为2mm～3mm。
5.根据权利要求1所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述第二辐射贴片上设有两个等腰三角形切角、两个L形切角和矩形缝隙，两个等腰三角形切角分别位于第二辐射贴片其中两个相对的角上，所述两个L形切角分别位于第二辐射贴片另外两个相对的角上，所述矩形缝隙位于第二辐射贴片的中心。
6.根据权利要求5所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述等腰三角形的直角边长为9mm～10mm，所述两个L形切角的宽度为0.8mm～1.2mm，所述矩形缝隙的长度为7mm～8mm，宽度为1mm～2mm。
7.根据权利要求5所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述第二辐射贴片上还设有过孔，所述过孔可使馈电探针通过。
8.根据权利要求7所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述过孔的半径为0.8mm～1.2mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的双频双圆极化北斗导航天线，其特征在于：所述馈电探针采用同轴线，同轴线第一端的外表面与地板连接，同轴线第二端的内芯依次通过第二介质基板、第二辐射贴片与第一辐射贴片连接。
10.北斗卫星导航终端设备，其特征在于：所述设备包括权利要求1-9任一项所述的双频双圆极化北斗导航天线。
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