CN109119753A - 一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线 - Google Patents

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刘昊
欧阳仲秋
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Abstract

本发明提出一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，包括天线主辐射单元、谐振腔、馈电结构和寄生辐射结构；天线主辐射单元包括方形的PCB板、振子结构、主辐射单元接地板和调节枝节；调节枝节与振子结构相连；振子结构包括四枚同尺寸的带镂空结构的六边形辐射贴片振子；六边形振子的边角中包括一个馈电角和一个与馈电角相对的翼尖角；各振子的馈电角集中设于方形PCB板的中央处并与馈电结构相连；相邻振子的馈电角的边线紧邻且平行；各振子的翼尖角则分设于方形PCB板的四角，使振子结构呈蝶翼形；寄生辐射结构环绕天线主辐射单元；主辐射单元接地板下部与谐振腔相连；本发明具有高增益、宽波束、宽频带、相位中心稳定、抗多径效应能力强等特点。

Description

一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线
技术领域
本发明涉及卫星导航终端天线技术领域，尤其是一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线。
背景技术
随着全球卫星导航系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）发展迅速，卫星导航终端设备对多系统兼容、高定位精度的需求也越来越广泛。卫星导航终端天线作为卫星导航终端设备的接收前端，其指标的优异很大地影响着卫星导航终端的性能，为了兼容多卫星导航系统，天线应具备较宽的增益带宽、轴比带宽和阻抗带宽等特点。为提高卫星导航终端的定位精度，其终端天线同时也要考虑天线相位中心稳定、抗多径效应、结构紧凑等特点。目前市面上一般采用多层堆叠结构的微带天线实现天线的宽频覆盖，通过增加微带天线的介质厚度来增加天线的带宽。为保证天线能覆盖卫星导航系统的所有频段，需要采用非常厚的介质来设计天线，天线介质基板厚度增加不仅大大增加了产品成本、增加产品重量，而且微带天线的表面波会随着天线厚度的增大而增加，严重了影响天线性能。因此，需要提出一种新的结构方案，来实现具有高增益、宽波束、宽频带、相位中心稳定、抗多径效应能力强等综合性能较优的轻型化GNSS测量型天线。
发明内容
本发明提出一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，具有高增益、宽波束、宽频带、相位中心稳定、抗多径效应能力强等特点。
本发明采用以下技术方案。
一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，所述天线包括天线主辐射单元、谐振腔、馈电结构和寄生辐射结构；所述天线主辐射单元包括方形的PCB板、位于PCB板上表面的振子结构、位于PCB板下表面中央的主辐射单元接地板和位于PCB板下表面四角处的调节枝节；所述调节枝节与振子结构相连；所述振子结构包括四枚同尺寸的带镂空结构的六边形辐射贴片振子；六边形振子的边角中包括一个馈电角和一个与馈电角相对的翼尖角；各振子的馈电角集中设于方形PCB板的中央处并与馈电结构相连；相邻振子的馈电角的边线紧邻且平行；各振子的翼尖角则分设于方形PCB板的四角，使振子结构的俯视向呈蝶翼形；所述寄生辐射结构环绕天线主辐射单元；所述主辐射单元接地板下部与谐振腔相连。
所述调节枝节数量为四且均呈L形；L形调节枝节的角端指向与方形PCB的角端指向相同；四枚调节枝节经方形PCB板上的枝节通孔分别与振子结构的四个馈电角相连；所述枝节通孔位于方形PCB板上的对角线处。
所述馈电结构包括馈电网络电路板；所述馈电网络电路板的上表面设有馈电接地板，馈电网络电路板的下表面设有馈电微带电路；所述寄生辐射结构与馈电接地板相连；所述馈电微带电路与四个馈电角相连；所述馈电微带电路与馈电角的四个连接点与方形PCB板中央部位的距离相等。
所述馈电微带电路为带有移相器的级联功分器或级联的3dB耦合器，馈电微带电路以四个支路端口分别与四个馈电角相连；四个支路端口间的馈电相位差为90°。
所述振子结构的镂空结构为对称形状；镂空结构的形状包括正多边形、圆形、椭圆形；四枚振子的镂空结构的中心均位于方形PCB板的对角线上。
所述主辐射单元接地板为中心对称形状；各振子馈电角在馈电点处以同轴电缆与馈电结构相连；同轴电缆上端内导体在馈电点位置与镂空六边形辐射贴片振子相连，上端外导体焊接于方形PCB板下表面的主辐射单元接地板上，下端内导体与馈电微带电路的支路端口相连，下端外导体焊接于馈电网络电路板的馈电接地板上。
所述谐振腔为长方体；所述谐振腔包围并支撑天线主辐射单元；谐振腔底部与馈电结构的馈电接地板相连。
所述寄生辐射结构包括多个竖向设置的片状寄生单元；寄生单元为等轴对称形状，寄生单元的形状包括矩形、梯形、扇形或六边形。
所述寄生单元分多组环绕天线主辐射单元形成嵌套结构排布；每组内的寄生单元的形状和规格均相同。
本发明采用蝶形振子结构、四点馈电的方式来实现天线GNSS全频段覆盖，具有高增益、宽波束、宽频带、相位中心稳定、抗多径效应能力强等特点。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的整体结构示意图；
附图2是本发明的俯视向示意图；
附图3是本发明的侧向示意图；
附图4是天线主辐射单元的仰视示意图；
附图5是天线主辐射单元的侧向示意图；
附图6是本发明的中心频点增益方向示意图；
附图7是天线顶点增益随频率变化的曲线示意图；
图中：1-天线主辐射单元；2-天线主辐射单元的方形PCB板；3-振子；4-馈电点；5-谐振腔；6-馈电网络电路板；7-寄生单元；8-调节枝节；9-主辐射单元接地板；10-同轴电缆；
100-寄生辐射结构；101-镂空结构；102-馈电角；103-翼尖角。
具体实施方式
如图1-7所示，一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，所述天线包括天线主辐射单元1、谐振腔5、馈电结构和寄生辐射结构100；所述天线主辐射单元包括方形的PCB板2、位于PCB板上表面的振子结构、位于PCB板下表面中央的主辐射单元接地板9和位于PCB板2下表面四角处的调节枝节8；所述调节枝节8与振子结构相连；所述振子结构包括四枚同尺寸的带镂空结构101的六边形辐射贴片振子3；六边形振子3的边角中包括一个馈电角102和一个与馈电角相对的翼尖角103；各振子的馈电角集中设于方形PCB板2的中央处并与馈电结构相连；相邻振子的馈电角的边线紧邻且平行；各振子的翼尖角则分设于方形PCB板的四角，使振子结构的俯视向呈蝶翼形；所述寄生辐射结构环绕天线主辐射单元；所述主辐射单元接地板下部与谐振腔相连。
所述调节枝节数量为四且均呈L形；L形调节枝节的角端指向与方形PCB的角端指向相同；四枚调节枝节经方形PCB板上的枝节通孔分别与振子结构的四个馈电角相连；所述枝节通孔位于方形PCB板上的对角线处。
所述馈电结构包括馈电网络电路板6；所述馈电网络电路板的上表面设有馈电接地板，馈电网络电路板的下表面设有馈电微带电路；所述寄生辐射结构100与馈电接地板相连；所述馈电微带电路与四个馈电角102相连；所述馈电微带电路与馈电角的四个连接点与方形PCB板中央部位的距离相等。
所述馈电微带电路为带有移相器的级联功分器或级联的3dB耦合器，馈电微带电路以四个支路端口分别与四个馈电角相连；四个支路端口间的馈电相位差为90°。
所述振子结构的镂空结构为对称形状；镂空结构的形状包括正多边形、圆形、椭圆形；四枚振子的镂空结构的中心均位于方形PCB板的对角线上。
所述主辐射单元接地板为中心对称形状；各振子馈电角在馈电点4处以同轴电缆10与馈电结构相连；同轴电缆上端内导体在馈电点位置与镂空六边形辐射贴片振子相连，上端外导体焊接于方形PCB板下表面的主辐射单元接地板上，下端内导体与馈电微带电路的支路端口相连，下端外导体焊接于馈电网络电路板的馈电接地板上。
所述谐振腔5为长方体；所述谐振腔包围并支撑天线主辐射单元1；谐振腔底部与馈电结构的馈电接地板相连。
所述寄生辐射结构包括多个竖向设置的片状寄生单元7；寄生单元为等轴对称形状，寄生单元的形状包括矩形、梯形、扇形或六边形。
所述寄生单元分多组环绕天线主辐射单元形成嵌套结构排布；每组内的寄生单元的形状和规格均相同。
实施例：
天线主辐射单元包括四个镂空六边形辐射贴片振子、四个“L”型调节枝节和一小块接地板，镂空六边形辐射贴片振子成中心对称排布，镂空六边形辐射贴片振子通过同轴电缆与馈电网络的支路端口相连接；谐振腔包围并支撑起天线主辐射单元，下端焊接于馈电网络电路板的接地板上；寄生单元呈中心对称排布并焊接于主辐射单元接地板上。
天线主辐射单元和馈电网络电路板采用厚度较薄的PCB板（厚度可小于等于1mm）设计，谐振腔和寄生单元主要采用薄铜片（厚度可以小于等于0.5mm）来设计制作，天线整体重量较轻。
一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其包括一个天线主辐射单元1，一个谐振腔5，一个馈电网络电路板6和多个寄生单元7。结合图4和图5可以看出，天线主辐射单元1包括方形PCB板2，以及方形PCB板2上表面的四个镂空六边形辐射贴片振子3、方形PCB板2下表面的四个“L”型调节枝节8、一个小型的接地板9和四根同轴电缆10。四个镂空六边形辐射贴片振子3上各有一个馈电点4。
四个镂空六边形贴片振子3以天线主辐射单元1的中心为对称中，呈中心对称分布，其俯视图呈蝶形。镂空六边形辐射贴片振子3蚀刻在方形PCB板2的上表面，其镂空形状可以为正多边形、圆形、椭圆形等对称形状；镂空形状的中心位于方形PCB板2的对角线上，四个镂空形状的中心与方形PCB板2中心的距离相等并且可根据设计需求作相应调整。四个“L”型调节枝节8蚀刻在方形PCB板2的下表面，并通过方形PCB板2上的四个金属过孔分别于四个镂空六边形辐射贴片振子3相连接；四个“L”型调节枝节8大小尺寸相等，可以调整其长度和宽度从而优化天线带宽等部分性能。小型的接地板9蚀刻在方形PCB板2下表面的正中心，其形状可以是正多边形、圆形等中心对称形状。
本实施例中的天线的主辐射单元和寄生单元均设计成均匀对称分布，而且采用四馈的馈电方式，保证天线相位中心的稳定性。谐振腔的设置和多个寄生单元的合理排布提高了天线的抗多径效应能力，保证天线接收卫星信号的稳定性。天线整体采用薄介质板和薄铜片进行合理设计制作，保证了天线轻量化的设计需求。
图6为本实施例中天线在中心频点处的增益方向图，图中实线表示右旋圆极化增益曲线，虚线表示左旋圆极化增益曲线，从图中可以看出，本发明天线的波束宽度较宽，说明本发明天线整体辐射性能较好。图7为本实施例中天线顶点增益随频率变化的曲线图，从图中可以看出，本发明天线的增益带宽较宽，GNSS全频段（1164MHz~1610MHz）范围内天线增益均大于4dB。
上述的实施例仅表达了本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干变形、改进和替换，这些变形、改进和替换应视为本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述天线包括天线主辐射单元、谐振腔、馈电结构和寄生辐射结构；所述天线主辐射单元包括方形的PCB板、位于PCB板上表面的振子结构、位于PCB板下表面中央的主辐射单元接地板和位于PCB板下表面四角处的调节枝节；所述调节枝节与振子结构相连；所述振子结构包括四枚同尺寸的带镂空结构的六边形辐射贴片振子；六边形振子的边角中包括一个馈电角和一个与馈电角相对的翼尖角；各振子的馈电角集中设于方形PCB板的中央处并与馈电结构相连；相邻振子的馈电角的边线紧邻且平行；各振子的翼尖角则分设于方形PCB板的四角，使振子结构的俯视向呈蝶翼形；所述寄生辐射结构环绕天线主辐射单元；所述主辐射单元接地板下部与谐振腔相连。
2.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述调节枝节数量为四且均呈L形；L形调节枝节的角端指向与方形PCB的角端指向相同；四枚调节枝节经方形PCB板上的枝节通孔分别与振子结构的四个馈电角相连；所述枝节通孔位于方形PCB板上的对角线处。
3.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述馈电结构包括馈电网络电路板；所述馈电网络电路板的上表面设有馈电接地板，馈电网络电路板的下表面设有馈电微带电路；所述寄生辐射结构与馈电接地板相连；所述馈电微带电路与四个馈电角相连；所述馈电微带电路与馈电角的四个连接点与方形PCB板中央部位的距离相等。
4.根据权利要求3所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述馈电微带电路为带有移相器的级联功分器或级联的3dB耦合器，馈电微带电路以四个支路端口分别与四个馈电角相连；四个支路端口间的馈电相位差为90°。
5.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述振子结构的镂空结构为对称形状；镂空结构的形状包括正多边形、圆形、椭圆形；四枚振子的镂空结构的中心均位于方形PCB板的对角线上。
6.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述主辐射单元接地板为中心对称形状；各振子馈电角在馈电点处以同轴电缆与馈电结构相连；同轴电缆上端内导体在馈电点位置与镂空六边形辐射贴片振子相连，上端外导体焊接于方形PCB板下表面的主辐射单元接地板上，下端内导体与馈电微带电路的支路端口相连，下端外导体焊接于馈电网络电路板的馈电接地板上。
7.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述谐振腔为长方体；所述谐振腔包围并支撑天线主辐射单元；谐振腔底部与馈电结构的馈电接地板相连。
8.根据权利要求1所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述寄生辐射结构包括多个竖向设置的片状寄生单元；寄生单元为等轴对称形状，寄生单元的形状包括矩形、梯形、扇形或六边形。
9.根据权利要求8所述的一种蝶形振子结构的宽频零相位中心高精度天线，其特征在于：所述寄生单元分多组环绕天线主辐射单元形成嵌套结构排布；每组内的寄生单元的形状和规格均相同。
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