CN109273829A - 一种卫星导航阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种卫星导航阵列天线,用以改善天线阵元的隔离度,增加天线的抗干扰能力,本发明实施例提供的卫星导航阵列天线包括第一天线阵元以及层叠于所述第一天线阵元上的第二天线阵元;所述第一天线阵元包括N个短路结构,所述短路结构将所述第一天线阵元的第一贴片与所述第一天线阵元的第一接地板电性相连;所述N个短路结构排列成封闭图形,所述第一天线阵元的第一馈电点位于所述封闭图形之外,所述第二天线阵元的第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影位于所述封闭图形之内。
Description
本申请要求在2018年9月21日提交中华人民共和国知识产权局、申请号为201811105236.6,发明名称为“一种卫星导航阵列天线”的中国专利申请的优先权,其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种卫星导航阵列天线。
背景技术
近年来,随着卫星导航定位技术的不断发展,卫星导航产业成为继移动通信和互联网之后,全球发展最快的信息产业。世界各大国和组织都在积极发展自己的卫星导航定位系统,其中影响最大有美国的GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(Global Navigation Satellite System,全球卫星导航系统)、欧盟的GALILEO(Galileo satellite navigation system,伽利略卫星导航系统)和我国的BDS(BeiDouNavigation Satellite,北斗卫星导航系统)。终端天线作为卫星导航系统的重要部件之一,对整个系统的性能有着非常重要的影响。
由于卫星信号很微弱,且天线的电磁环境很复杂,因此需要提高卫星导航定位系统的抗干扰能力。现有的卫星导航天线,由于天线阵元之间会相互影响,阵元间的耦合较多,需要增加或改善天线阵元的隔离度,增加天线的抗干扰能力。
发明内容
本发明实施例提供了一种卫星导航阵列天线,以改善天线阵元的隔离度,增加天线的抗干扰能力。
本发明实施例提供的一种卫星导航阵列天线,包括第一天线阵元以及层叠于所述第一天线阵元上的第二天线阵元;
所述第一天线阵元包括N个短路结构,所述短路结构将所述第一天线阵元的第一贴片与所述第一天线阵元的第一接地板电性相连;
所述N个短路结构排列成封闭图形,所述第一天线阵元的第一馈电点位于所述封闭图形之外,所述第二天线阵元的第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影位于所述封闭图形之内。
在一种可能的实现方式中,所述第一天线阵元包括第一介质基板、位于所述第一介质基板上表面的第一贴片、位于所述第一介质基板下表面的第一接地板;
所述第二天线阵元包括第二介质基板、位于所述第二介质基板上表面的第二贴片、位于所述第二介质基板下表面的第二接地板;
所述短路结构依次垂直穿过所述第一贴片、所述第一介质基板以及所述第一接地板。
在一种可能的实现方式中,所述第二贴片的面积小于所述第一贴片的面积。
在一种可能的实现方式中,所述短路结构的位置相对于所述第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影对称设置。
在一种可能的实现方式中,所述N个短路结构设置于以所述第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影位置为圆心的圆上。
在一种可能的实现方式中,所述短路结构到所述圆心的距离由所述第一天线阵元的阻抗决定。
在一种可能的实现方式中,所述短路结构为金属化过孔或短路销钉。
在一种可能的实现方式中,所述第一天线阵元的第一介质基板上表面的面积与所述第二天线阵元的第二介质基板上表面的面积相等。
在一种可能的实现方式中,所述第一介质基板和/或所述第二介质基板的材质为陶瓷。
在一种可能的实现方式中,所述第一介质基板的介电常数为4.5,所述第二介质基板的介电常数为6.5。
本发明上述实施例,通过第一天线阵元上的短路结构将第一贴片与第一接地板电性相连,其中N个短路结构排列成封闭图形,并将第一天线阵元的第一馈电点设置于该封闭图形之外,使得第二天线阵元的第二馈电点在第一天线阵元上的投影位于该封闭图形之内。这样,第一天线阵元上的短路结构将第一天线阵元上位于中心的电位零点扩大为零电位区域,该零电位区域即为N个短路结构排列成的封闭图形。此时,第二天线阵元的表面电流在第一贴片上感应出的耦合电流大部分落入了第一贴片上的零电位区域中,大大减小了第一贴片上的耦合电流幅度,改善了第一天线阵元和第二天线阵元之间的隔离度增加了阵列天线的抗干扰能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面所介绍的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术提供的一种卫星导航阵列天线的结构示意图;
图2为本发明实施例提供的卫星导航阵列天线的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的卫星导航阵列天线的截面图;
图4为现有技术中卫星导航阵列天线的隔离度曲线;
图5为本发明实施例提供的卫星导航阵列天线的隔离度曲线;
图6为本发明实施例中卫星导航阵列天线的史密斯圆图;
图7为本发明实施例提供的第一介质基板与第二介质基板面积相同的卫星导航阵列天线的截面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,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。
下面介绍本发明实施例的技术背景。
下面结合附图介绍本发明实施例提供的技术方案。
需要说明的是,本发明实施例中,“上”“下”对应图片的上方和下方,即“上表面”是指在图片中装置上方对应的面,“下表面”是指图片中装置下方对应的面,本发明实施例仅是示例作用。
本发明实施例提供了一种卫星导航阵列天线,可以应用于卫星导航定位系统的各类手持机、基站、车载、机载等终端设备应用平台。
图1示例性地示出了现有技术提供的一种卫星导航阵列天线的结构示意图。如图1所示,卫星导航阵列天线100包括第一天线阵元200和第二天线阵元300,第一天线阵元200和第二天线阵元300层叠设置,第二天线阵元300层叠于第一天线阵元200之上。
第一天线阵元200包括第一介质基板201,设置于第一介质基板201上表面的第一贴片202,以及设置于第一介质基板201下表面的第一接地板203(图中未显示)。第一贴片202上还设置有第一馈电点204。
第二天线阵元300包括第二介质基板301,设置于第二介质基板301上表面的第二贴片302,以及设置于第二介质基板301下表面的第二接地板303(图中未显示)。第二贴片302上还设置有第二馈电点304。
第一天线阵元200与第二天线阵元300工作于不同的频段。由图1可以看出,第二天线阵元300的第二介质基板301上表面的面积小于第一天线阵元200的第一介质基板301上表面的面积,且,第二天线阵元300的第二贴片302的面积小于第一天线阵元200的第一贴片202的面积。
导行电磁波通过第二馈电点304激励第二贴片302,第二贴片302上激励起表面电流I2。由于第二天线阵元300层叠设置于第一天线阵元200之上,第二贴片302与第一贴片202互耦,表面电流I2在第一贴片202上感应出耦合电流I3。第一贴片202上的耦合电流I3会对第一天线阵元产生干扰,从而需要增加阵列天线的隔离度,增加天线的抗干扰能力。
为了解决上述问题,图2示例性示出了本发明实施例提供的卫星导航阵列天线,用于改善天线阵元的隔离度,增加天线的抗干扰能力。卫星导航阵列天线100可以包括第一天线阵元200以及层叠于所述第一天线阵元上的第二天线阵元300。
与现有技术中不同的是,本发明实施例中的第一天线阵元200还包括N个短路结构205,短路结构205将第一天线阵元200的第一贴片202与第一天线阵元200的第一接地板电性相连。
由图2可以看出,N个短路结构205排列成封闭图形,第一天线阵元200的第一馈电点204位于所述封闭图形之外,第二天线阵元300的第二馈电点304在第一天线阵元200上的投影位于所述封闭图形之内。
馈电点可以为天线和馈线能量互相传输的交接位置。现有技术中的卫星导航天线一般采用背馈的馈电方式,馈电点的选择自由度比较大,一般来说,天线的边缘处电压最大,电流最小,输入电阻最大;中心处电流最大,电压最小,输入电阻最小(接近0Ω)。基于此,在第一天线阵元200的中心处至边缘处存在与馈电线相匹配的位置,比如,馈电线为50Ω,则可以在中心处至边缘处找到与50Ω相匹配的位置,该位置即可作为第一馈电点204,类似的,在第二天线阵元300的中心处至边缘处存在与馈电线相匹配的位置,该位置即可作为第二馈电点304。
本发明实施例中,通过第一天线阵元200上的短路结构205将第一贴片202与第一接地板203电性相连,其中N个短路结构205排列成封闭图形,并将第一天线阵元200的第一馈电点204设置于该封闭图形之外,使得第二天线阵元300的第二馈电点304在第一天线阵元200上的投影位于该封闭图形之内。这样,第一天线阵元200上的短路结构205将第一天线阵元200上位于中心的电位零点扩大为零电位区域,该零电位区域即为N个短路结构205排列成的封闭图形。此时,第二天线阵元300的表面电流在第一贴片202上感应出的耦合电流大部分落入了第一贴片202上的零电位区域中,大大减小了第一贴片202上的耦合电流幅度,改善了第一天线阵元和第二天线阵元之间的隔离度,增加了阵列天线的抗干扰能力。
图3示例性示出了本发明实施例提供的卫星导航阵列天线的截面图。与图1中示出的卫星导航阵列天线的结构类似,本发明实施例中,卫星导航阵列天线的第一天线阵元200包括第一介质基板201、位于第一介质基板201上表面的第一贴片202、位于第一介质基板下表面的第一接地板203;第二天线阵元300包括第二介质基板301、位于第二介质基板301上表面的第二贴片302、位于第二介质基板301下表面的第二接地板303。本发明实施例中,短路结构205依次垂直穿过第一贴片202、第一介质基板201以及第一接地板203。
其中第二贴片302的面积小于第一贴片202的面积,使得第一天线阵元200与第二天线阵元300分别工作在不同的频率,即第一天线阵元200工作在卫星导航阵列天线的接收频率,第二天线阵元300工作在卫星导航阵列天线的发射频率。
隔离度是天线的一个重要性能指标,用于衡量天线之间的相互干扰。本发明实施例中,通过在第一天线阵元200上增加一组短路结构205来改善第一天线阵元200与第二天线阵元300之间的隔离度。短路结构205的位置相对于所述第二馈电点304在第一天线阵元200上的投影对称设置,具体的,N个短路结构205设置于以第二馈电点304在第一天线阵元200上的投影位置为圆心的圆上。其中,短路结构到圆心的距离由第一天线阵元200的阻抗决定。下面从表面电流与耦合电流分布的角度来阐述隔离度改善的机理。
导行电磁波f1在激励第一贴片202时,第一贴片202上激励起表面电流I1。导行电磁波f2通过第二馈电点304激励第二贴片302,第二贴片302上激励起表面电流I2,同时由于互耦在第一贴片202上感应出耦合电流I3。因此,第一贴片202上的耦合电流I3会对表面电流I1产生干扰。本发明实施例中,由于第一介质基板201上短路结构205的接地作用,且短路结构205设置为一个封闭的圆形,因此短路结构205将位于第一天线阵元200中心的电位零点扩大为零电位区域,该零电位区域的位置即为短路结构205围成的圆形位置。此时表面电流I2在第一贴片202上感应出的耦合电流I3大部分落入了第一贴片202扩大后的零电位区域中,耦合电流I3的幅度减小了近2/3。由图4和图5可以直观的看出增加了短路结构205后,卫星导航阵列天线隔离度的变化。图4示出了现有技术中卫星导航阵列天线的隔离度曲线,其中,m4、m5分别是现有技术中不同频率的两个天线阵元的隔离度。图5示出了本发明实施例提供的卫星导航阵列天线的隔离度曲线,其中,m4、m5分别是增加了短路结构之后,不同频率的两个天线阵元的隔离度。由图中可以看出,卫星导航阵列天线的隔离度S21改善了大约5dB。
此外,卫星导航阵列天线的第一贴片202工作于f1频段,第二贴片302工作于f2频段,图6示出了本发明实施例中卫星导航阵列天线的史密斯圆图。由图6可以看出,对于第一贴片202,其史密斯圆图的两模态所相交的尖点与史密斯圆图的圆心之间的距离很小,且对于第二贴片302,其史密斯圆图的两模态所相交的尖点与史密斯圆图的圆心也几乎重合。可以看出,添加了短路结构205之后,卫星导航阵列天线的阻抗匹配效果较佳。
本发明实施例中,短路结构205可以有多种形式,比如,短路结构可以为金属化过孔,或者也可以为短路销钉,具体不做限定。
进一步地,为了改善卫星导航阵列天线的低仰角增益,相较于现有技术,本发明实施例增加了第二天线阵元的介质基板的表面积。
图7示出了第一介质基板与第二介质基板面积相同的卫星导航阵列天线的截面示意图。如图7所示,本发明实施例增加第二介质基板的面积,使得所述第一天线阵元的第一介质基板上表面的面积与所述第二天线阵元的第二介质基板上表面的面积相等。
本发明实施例中,在微带天线中引入了介质天线的原理,通过加宽微带天线的介质基板,即通过加宽第二介质基板301,第二天线阵元形成由微带馈电的介质天线。当导行电磁波f2通过第二馈电点304激励第二贴片302,一部分电磁能量由第二贴片302辐射,沿法向方向辐射最强,另一部分能量沿第二介质基板301传播在其末端辐射,沿切向方向辐射最强。由于加宽了第二介质基板301,则将切向方向的辐射进一步加强,这样法向方向和切向方向两部分的辐射叠加,弥补了低仰角增益。表1示出了现有技术中卫星导航阵列天线的低仰角增益,表2示出了本发明实施例中卫星导航阵列天线的低仰角增益。由表1和表2对比可以看出,本发明实施例相较于现有技术,20°的低仰角增益有明显的增加。
表1
频率 | 顶部增益 | 20°仰角增益 | 20°仰角不圆度 |
f<sub>1</sub> | 5.20 | -0.54 | -0.55~0 |
f<sub>2</sub> | 5.78 | -0.45 | -0.48~0.41 |
表2
频率 | 顶部增益 | 20°仰角增益 | 20°仰角不圆度 |
f<sub>1</sub> | 5.52 | 0.15 | 0.15~0.56 |
f<sub>2</sub> | 6.30 | -0.90 | -1.08~0.18 |
进一步地,介质基板的材质可以有多种,比如,可以为陶瓷、PCB板等,此外,第一介质基板的材质与第二介质基板的材质可以相同,也可以不同,具体不做限定。具体的,本发明实施例中,第一介质基板的介电常数包括但不限制于4.5,第二介质基板的介电常数包括但不限制于6.5。上述介质基板的介电常数仅为举例,本发明实施例中对此不做限制。
进一步地,本发明实施例中第一天线阵元和第二天线阵元可以通过尼龙螺钉连接在一起,其中,尼龙螺钉可以如图2中的206所示。
在一个具体的实施例中,第一介质基板和第二介质基板的边长均为50mm,厚度均为4mm,第一贴片的边长为34mm,第一馈电点偏移中心的距离为12.5mm,短路销钉偏移中心的距离为9mm,第二贴片的边长为20.5mm。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种卫星导航阵列天线,其特征在于,包括第一天线阵元以及层叠于所述第一天线阵元上的第二天线阵元;
所述第一天线阵元包括N个短路结构,所述短路结构将所述第一天线阵元的第一贴片与所述第一天线阵元的第一接地板电性相连;
所述N个短路结构排列成封闭图形,所述第一天线阵元的第一馈电点位于所述封闭图形之外,所述第二天线阵元的第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影位于所述封闭图形之内。
2.如权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第一天线阵元包括第一介质基板、位于所述第一介质基板上表面的第一贴片、位于所述第一介质基板下表面的第一接地板;
所述第二天线阵元包括第二介质基板、位于所述第二介质基板上表面的第二贴片、位于所述第二介质基板下表面的第二接地板;
所述短路结构依次垂直穿过所述第一贴片、所述第一介质基板以及所述第一接地板。
3.如权利要求2所述的天线,其特征在于,所述第二贴片的面积小于所述第一贴片的面积。
4.如权利要求1所述的天线,其特征在于,所述短路结构的位置相对于所述第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影对称设置。
5.如权利要求4所述的天线,其特征在于,所述N个短路结构设置于以所述第二馈电点在所述第一天线阵元上的投影位置为圆心的圆上。
6.如权利要求5所述的天线,其特征在于,所述短路结构到所述圆心的距离由所述第一天线阵元的阻抗决定。
7.如权利要求1至6中任一项所述的天线,其特征在于,所述短路结构为金属化过孔或短路销钉。
8.如权利要求1所述的天线,其特征在于,所述第一天线阵元的第一介质基板上表面的面积与所述第二天线阵元的第二介质基板上表面的面积相等。
9.如权利要求8所述的天线,其特征在于,所述第一介质基板和/或所述第二介质基板的材质为陶瓷。
10.如权利要求8所述的天线,其特征在于,所述第一介质基板的介电常数为4.5,所述第二介质基板的介电常数为6.5。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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