CN109216897A - 一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适用于限制空间隐蔽式安装的小型化北斗导航天线。天线在圆台型覆铜基体表面采用激光刻蚀工艺制作出四条辐射臂，两条主辐射螺旋臂和两条寄生辐射螺旋臂。通过分立元器件加载调谐天线馈电匹配，并考虑天线的安装和使用环境进行设计。本发明实现了在弹载、机载等隐蔽安装环境下对北斗导航天线全向辐射和小型化安装需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化北斗导航天线，尤其是一种适用于隐蔽式安装的小型化北斗导航天线。
背景技术
目前我国北斗卫星导航行业发展迅速，到2020年北斗二代将实现全球导航服务覆盖，北斗三代也在高速建设之中。北斗卫星导航天线的军用、民用需求也逐渐增加，各类圆极化导航天线被大量应用于TE卫星导航系统中。常用的卫星导航系统中的天线主要有微带天线、PIFA天线、介质天线和各类螺旋天线等。在导航终端中，这些天线往往增益较低(0dB以下)、工作频带带宽较窄(小于5％)，同时天线波束在很难满足水平面360°全向辐射覆盖的要求。对于微带导航天线Jackson,D.R.等在文献中已经描述过(Microstrip PatchAntenna Designs That Do Not Excite Surface Waves.[J]IEEE Transactions onAntennas and Propagation,Vol.41,No.8,August 1993,pp.1026-1037)，普通微带圆极化天线尺寸大约为介质波长的四分之一倍，最大辐射方向在天顶点处，水平面辐射能力较差，且微带天线工作带宽较窄。另外一种就是将LTCC工艺与PIFA天线和介质天线相结合的介质天线如Gousettis等在文献中描述的(Gousettis,G.,J.C.Vardaxoglou,and A.P.Feresidis.Handset Antenna Performance Using Flexible MEBG Structures.[J]Proceedngs IEEE international Workshop on Antenna Technology:Small Antennasand Metamateterials,2005,pp.55-58.)小型化介质PIFA导航天线具有超小型化，高集成度的优势，但是这类天线同样存在辐射方向图性能较差，无法满足高精度导航要求。最后一种就是各类螺旋导航天线，1963年C.H.TANG(C.H.TANG.A Class of Modified log-spiralantenna.[J]IEEE IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.41,No.8,July 1963,pp.422-427)提出一种改良的非频变天线对数螺旋天线，工作频带几乎没有理论限制，天线增益较高，半波功率角能优化到大于80°，并且与平面螺旋天线类似具有超宽的带宽(>10％)。但是各类螺旋天线由于工作频带和辐射孔径的限制，使其一般天线尺寸较大，天线很难实现低剖面、小口径、小型化的设计要求。目前，各类导航终端系统终端天线，尤其是北斗卫星导航天线正朝着小型化、可紧凑安装方向发展。尤其在弹载、机载和高速车载等高速滚转、高速移动和隐蔽特殊安装的情况下，天线的安装位置、安装空间、天线的辐射方向等要求严格，辐射方向图形状要求与半波振子天线类似的全向辐射，以便弹在滚转平飞过程中仍能稳定地接收到卫星导航信号。
发明内容
为了克服现有技术无法满足高速弹载、机载和车载等隐蔽式安装环境对北斗导航天线的右旋圆极化、全向辐射、小型化安装等的工作需求，本发明提供了一种适用于隐蔽式安装的小型化北斗导航天线。天线含有四条辐射臂，两条主辐射螺旋臂和两条寄生辐射螺旋臂，辐射臂在覆铜基体介质材料(如：微波陶瓷，聚酰亚胺等)上通过工程激光刻蚀工艺加工得到。天线充分考虑了弹载滚转等特殊情况下的结构的安置影响，通过50欧射频接头进行馈电，馈电巴伦结构采用同轴线对数渐削加工实现。在天线主辐射螺旋臂与馈电巴伦之间增加集总器件，实现天线加载调谐和平衡馈电，使天线满足全向辐射和带宽的指标要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括天线基体、天线底座、天线辐射螺旋臂、顶端馈电板和馈电巴伦等。天线基体采用介电常数在3～15 之间，表面覆盖导电金属铜膜的圆台体制作，圆台上表面直径为0.075倍介质波长，下表面直径为0.06倍介质波长，高度为0.11倍介质波长。基体的介电常数需要根据设计频率，综合考虑天线的性能和尺寸进行计算与优化得到。天线基体轴向中心位置含有一个直径为5mm的安装通孔，满足与安装环境配合安装需求。在轴线方向上，距中心安装通孔6mm处，有一个直径为3mm 的巴伦安装通孔。天线底座作为天线方向图的调整部件，为金属铜质,尺寸大于天线基体下表面直径2mm，开的孔位及大小也与天线开孔位置相同，并在响应位置处与天线基体圆台下表面胶结固定。天线包含四条顺时针方向旋转，沿圆锥环向均匀分布的螺旋臂，螺旋臂的曲线圆柱坐标系下的方程如下：
其中，θ,ρ,H分别表示圆柱坐标下的极角，极半径和高度，下标1,2分别表示组成螺旋臂的两条边界线。ρ0,θ0,b,δ为天线螺旋臂的待定参数，θ0为圆锥的半张角，与天线基体的半张角大小相同。
一条螺旋臂的参数确定，其他螺旋臂可通过第一条螺旋臂绕高度轴旋转±90°和180°变换依次得到。四条螺旋臂中有一对镜像对称的辐射臂为主辐射螺旋臂，另一对镜像对称的辐射臂为寄生辐射螺旋臂。天线仅对主螺旋臂进行馈电，寄生螺旋臂不进行馈电，起调节辐射方向图和展宽工作带宽的作用。
顶端馈电板为天线平衡馈电部件，整体为圆柱形，采用厚度为0.5mm，直径与天线基体圆台上表面直径相同的FR4标准PCB单面板按照指定的设计图形加工制作而成，其上开有与天线基体开孔位置及大小相同的通孔。顶端馈电板表面图案分为两个区域一个为与巴伦内导体和正向辐射臂连接区域，另一个为与巴伦外导体和负向辐射臂连接区域，与巴伦外导体和负向辐射臂连接区域电路由中央部分的环形电路和两组扇形区域电路，扇形电路的末端与螺旋臂的顶端弧线等长，中央环形的电路的外直径为0.02倍设计波长，环形电路一侧的位置开孔，使同轴馈线的外导体与中央环电路连接进而可以进行馈电。各区域的图形及尺寸大小最终采用优化计算后获得。每个区域中预留锡焊分立调谐器件的位置，间距大小为1.5mm。馈电巴伦是天线的射频能量馈入器件，起到能量馈入、平衡电流和阻抗匹配的作用。馈电巴伦长度为天线总高度再加上6mm，6mm尺寸为与后端信号接收板互联部件，整体采用标准 141型射频同轴电缆剥去外介质护套层后，对外屏蔽层采用机械加工工艺按照如下指数参数曲线方程加工
公式(2)中，a1,a2,a3为参数方程的系数，分别为8,0.05和1。在巴伦的顶端与天线连接的部分，剥离将内导体剥离出8mm,加工成“L”形与主辐射臂的一端牢固锡焊，中间层介质剥离出1mm作为防止内外导体短路的隔离部件，将外导体与天线主辐射臂的另一端牢固锡焊固定整个巴伦。
本发明的有益效果是：充分考虑了弹载、机载和车载等天线的安装环境和位置，通过设计天线的双臂加载，另外两臂寄生辐射的方法实现了垂直天线轴向的全向辐射,天线的半波功率角大于60°，同时天线增益>0dB。并且通过增加圆锥天线介质基体的方法，有效的减小了天线的尺寸，使天线的高度和口径均减小了超出传统天线的5倍，实现了北斗导航天线的小型化和全向辐射。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
附图说明
图1是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的示意图。
图2是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的爆炸视图。
图3是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的侧视图。
图4是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的顶视图。
图5是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线馈线巴伦外导体示意图。
图6是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的驻波比图。
图7是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的E面方向图。
图8是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的H面方向图。
图中，1.天线基体,2.天线底座,3.天线辐射螺旋臂,4.顶端馈电板,5.馈电巴伦，6.调谐电容。
具体实施方式：
通过不断调整圆锥螺旋天线的上截面和下截面位置、圆锥的半张角、指数螺旋臂的上升角等参数，可以获得满足驻波及方向图要求的小型化天线方案，具体实施方式如下：
图1是本发明一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线的示意图，图2是天线各组件的爆炸示意图。天线的圆锥基体选用介电常数为3.4的聚酰亚胺材料，基体材料的上截面半径为17.1mm，下截面半径为13mm，基体的高度为23.5mm，基体含一个直径为6mm通孔，该通孔为安装孔，天线底座为全金属材质。天线基体距中心6mm处设一个半径为3.58mm的通孔，50欧馈电线缆通过该孔进行馈电。天线的螺旋辐射臂的螺旋方程(1)中的ρ0取值为13，b取值为0.172，螺旋臂的边界的相位差为δ为33.18°。天线基体的侧面通过化学镀或溅射方法进行金属化，天线的螺旋臂在基体的侧面镀层上通过工程刻蚀或者激光雕刻方法制作而成。天线的馈电板为内径为6mm、外径为26mm 的环状PCB单面覆铜板，距离板中心为6mm处有一直径为3.54mm的通孔。板上电路如图1中6所示，电路由中心环状电路和侧边的扇形电路组成。环状电路的内径为7mm、外径为13mm，扇形区域的扇形角为33.18°，两侧扇形均在半径从10mm到10.71mm处有环形间断，环形间断处用于焊接电阻、电容等贴片式电子元器件。图1中左侧的电路电子器件为C＝0.1pF电容，右侧的电路电子器件为C＝60.76pF的电容，两电容器件主要用于调整天线的馈电相位平衡。右侧扇形电路与中心环形电路不连接，通过直径为17mm的圆划断，与馈线的中心导体相连。左侧扇形电路与中心环形电路连通，与馈线的外导体连接，扇形电路的外侧与螺旋臂顶部焊接。天线的馈线为50欧同轴馈电线缆，电缆的总长度为31mm，通过贯穿天线的通孔从天线顶端进行馈电。为进行天线的平衡匹配馈电，同轴线的外导体进行了切割如图5所示。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种适用于隐蔽安装的小型化北斗导航天线，其特征在于：
包括天线基体、天线底座、天线辐射螺旋臂、顶端馈电板、馈电巴伦和调谐电容；所述天线基体底端设置有天线底座，天线基体顶端设置有顶端馈电板，顶端馈电板和天线基体的中心部位设置有连通的中心通孔，该中心通孔用于顶端馈电板、天线基体和天线底座的安装固定；所述顶端馈电板、天线基体和天线底座上设置有连通的馈电孔，该馈电孔距天线基体中心0.02-0.03倍波长距离；所述天线基体上通过工程激光刻蚀工艺加工有四条天线辐射螺旋臂，四条天线辐射螺旋臂由两条主辐射螺旋臂和两条寄生辐射螺旋臂组成；馈电孔中设置有馈电巴伦，馈电巴伦中的馈线穿过天线底座和天线基体进行馈电。
2.如权利要求1所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
所述天线基体高度轴与相邻两天线辐射螺旋臂的对应点形成90°夹角，四条天线辐射螺旋臂中有一对为主辐射螺旋臂，四条天线辐射螺旋臂中另一对为寄生辐射螺旋臂；馈电巴伦仅对主辐射螺旋臂进行馈电；寄生辐射螺旋臂起调节辐射方向图和展宽工作带宽的作用。
3.如权利要求1所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
所述天线基体是表面覆盖导电金属铜膜的圆台体，该圆台体由圆锥截取制成，圆锥的上面截取半径为0.05-0.07倍的设计波长，下面截取半径为0.07-0.08倍设计波长，高度为0.09-0.13倍的设计波长。
4.如权利要求1所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
所述顶端馈电板为天线平衡馈电部件，整体为圆柱形，采用厚度为0.5mm，直径与天线基体圆台上底面直径相同，其上开有与天线基体开孔位置及大小相同的通孔；顶端馈电板表面图案分为两个区域，一个为与馈电巴伦内导体和正向辐射臂连接区域，另一个为与馈电巴伦外导体和负向辐射臂连接区域，与馈电巴伦外导体和负向辐射臂连接区域电路由中央部分的环形电路和两组扇形区域电路，扇形电路的末端与螺旋臂的顶端弧线等长，中央环形的电路的外直径为0.02倍设计波长，环形电路一侧的位置开孔，使同轴馈线的外导体与中央环电路连接进而可以进行馈电。
5.如权利要求4所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
所述顶端馈电板分别焊接了两个电容电感集总器件进行调谐，顶端馈电板由单面覆铜PCB板制作，电路通过工程刻蚀方法完成，电路侧面部分通过焊接与辐射螺旋臂连接，电路由中央部分的环形电路和两组扇形区域电路，扇形电路的末端与螺旋臂的顶端弧线等长，弧线中间部位由弧形线打断，打断部位与电容/电感等元器件的长度相等，该打断位置用于焊接集总器件，中央环形的电路的外直径为0.02倍设计波长，环形电路一侧的位置开孔，使同轴馈线的外导体与中央环电路连接进而可以进行馈电。
6.如权利要求1所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
所述天线底座作为天线方向图的调整部件，为金属铜质,尺寸大于天线基体下表面直径2mm，天线底座上开的孔位及大小也与天线开孔位置相同，并在响应位置处与天线基体下表面胶结固定。
7.如权利要求1所述的小型化北斗导航天线，其特征在于：
馈电巴伦是天线的射频能量馈入器件，起到能量馈入、平衡电流和阻抗匹配的作用；馈电巴伦长度为天线总高度再加上6mm，该6mm尺寸为与后端信号接收板互联部件，将标准141型射频同轴电缆剥去外介质护套层后，对标准141型射频同轴电缆外屏蔽层采用机械加工，机械加工工艺按照如下指数参数曲线方程：
公式(2)中，a1,a2,a3为参数方程的系数，分别为8,0.05和1；在馈电巴伦的顶端与天线连接的部分，将内导体剥离出8mm,加工成“L”形并与主辐射臂的一端牢固锡焊，将中间层介质剥离出1mm作为防止内外导体短路的隔离部件，将外导体与天线主辐射臂的另一端牢固锡焊，从而固定整个馈电巴伦。
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