CN109390671A - 星载高精度导航定位天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种星载高精度导航定位天线，该天线由上层辐射片、下层辐射片、支撑柱、馈电探针、馈电网络、介质支撑、扼流圈和射频连接器组成。其中，上层辐射片和下层辐射片安装在支撑柱上；支撑柱用螺钉固定在扼流圈几何中心处；馈电探针对上层辐射片和下层辐射片进行耦合馈电，使天线获得较宽的工作频带；馈电网络产生四路等幅、相差依次为90°的电信号，保证天线具有较高的相位中心稳定度；介质支撑用于保证四个馈电探针的垂直度和结构强度；扼流圈结构使得方向图具有理想的前后比，可以适应各类安装平台。整个天线结构新颖、简单，具有很好的抗冲击、抗振动、抗辐照、抗热应力能力。同时，具有宽频带，高增益和高相位中心稳定度的特性。

Description

星载高精度导航定位天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是宽频带、圆极化、高稳相，抗多径，的星载导航天线技术领域。
背景技术
现有的双频导航天线多采用四馈点双层介质板微带天线的形式，如专利“抗多径多馈源多波段宽波束高稳定圆极化微带天线”(申请号：CN201220432444.9)和专利“一种高精度测量型GNSS天线”(申请号：CN201520555206.0)。这类天线由两层介质板辐射结构组成，本身工作频带窄，不能满足多模兼容导航系统的要求；同时，微波介质板不具备高低温±90°使用特性和抗辐照、原子氧等宇航环境要求，无法应用于星载天线；
为展宽工作带宽，可选用十字对称振子的形式，如专利“一种微波衰减型高稳相、高精度GNSS测量型天线及设备”(申请号：CN201710344068.5)和专利“一种卫星导航天线”(申请号：CN201710842010.3)。这类天线相位中心稳定度较差，振子需要设计复杂的支撑结构和平衡馈电结构，产品工程实现难度大，抗冲击、振动等能力差，不适合星载天线严苛的使用环境；同时天线剖面高，无法满足星载天线低剖面安装要求。
四臂螺旋天线及其变形也用作高精度导航天线，如专利“卫星定位导航天线”(申请号：CN201610069720.2)和“GNSS多频卫星导航天线”(申请号：CN201310461101.4)，这类天线通过多臂螺旋形式来获得高稳定度的相位中心，采用圆锥螺旋等形式来实现天线的宽频带性能，但其工程实现难度很大，而且天线剖面高，馈电结构复杂，同样不适合星载天线使用环境。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有高精度定位天线无法满足宽带和低剖面特性，不具备抗辐照与振动、冲击等能力的缺陷，本发明提出一种星载高精度导航定位天线。
技术方案
一种星载高精度导航定位天线，其特征在于包括上层辐射片、下层辐射片、支撑柱、馈电探针、馈电网络、介质支撑、扼流圈和射频连接器；所述扼流圈为双层金属同心圆形腔结构；所述支撑柱为柱状金属结构，并将其固定在所述扼流圈底部上；所述上层辐射片为高频段对应辐射结构，固定在所述支撑柱顶端；所述下层辐射片为低频段对应辐射结构，固定在所述支撑柱中部；所述馈电网络为印制电路板，固定在所述扼流圈背部腔体内，产生四路等幅、相差依次为90°的电信号；所述馈电探针为4个相同的金属探针，下端焊接在所述馈电网络上用于对所述上层辐射片和所述下层辐射片耦合馈电；所述介质支撑为环状介质盘，其上设有四个间隔90°的沉头螺钉孔和四个间隔90°的圆柱凸台结构，馈电探针插入圆柱凸台结构中用于保证馈电探针的垂直度和结构强度，沉头螺钉孔中安装螺钉固定在扼流圈底部上；所述射频连接器外导体与扼流圈固定，内导体与所述馈电网络电路焊接。
所述上层辐射贴片和下层辐射贴片为金属圆形结构，且下层辐射贴片的直径大于上层辐射贴片；上层辐射贴片和下层辐射贴片的几何中心处为通孔，下层辐射贴片通过几何中心处的通孔穿越支撑柱；上层辐射贴片通过几何中心处的通孔穿越支撑柱，并固定在支撑住的顶端；上层辐射贴片直径为对应高频谐振频点的0.5λ，下层辐射贴片直径为对应低频谐振频点的0.5λ，两层间距为0.02λ-0.06λ，下层辐射贴片距离扼流圈的底部约为0.07λ-0.1λ。
所述馈电探针的上端为杯状结构，杯状结构中嵌套有介质套，下端为探针结构，所述介质套为柱形介质结构，其直径与馈电探针的上端杯状结构体内径相同，在其几何中心处为螺纹孔，将紧固螺钉依次穿过下层辐射片和介质套固定在螺纹孔中，用于固定馈电探针与下层辐射片。
所述上层辐射贴片、下层辐射贴片和扼流圈三者同心。
所述馈电网络由两级威尔金森功分器加宽带移相器构成，保证在工作带宽内产生4路等幅、相差依次为90°的电信号。
有益效果
本发明提出的一种星载高精度导航定位天线，整个天线结构新颖、简单，具有很好的抗冲击、抗振动、抗辐照、抗热应力能力。能够同时满足低剖面，宽频带，高稳相的特点，馈电和辐射结构简单可靠，具备在宇航环境下使用的能力。
附图说明
图1为本发明的天线整体结构示意图；
图2为本发明的天线整体结构俯视图；
图3为本发明的上层辐射片图；
图4为本发明的下层辐射片图；
图5为本发明的馈电探针结构图；
图6为本发明的介质套结构图；
图7为本发明的介质支撑结构图；
图8为本发明的辐射方向图示意图；
图9为本发明的驻波示意图。
1-上层辐射片、2-下层辐射片、3-支撑柱、4-馈电探针、5-馈电网络、6-介质支撑、7-扼流圈、8-射频连接器、9-介质套、10-紧固螺钉。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明提供星载高精度导航定位天线，包括：
上层辐射片1，所述上层辐射片1为高频段对应辐射结构，用螺钉固定在所述支撑柱3顶端；下层辐射片2，所述下层辐射片2为低频段对应辐射结构，固定在所述支撑柱3中部；支撑柱3，所述支撑柱3为柱状金属结构，用于支撑所述上层辐射片1和所述下层辐射片2，并将其固定在所述扼流圈7上；馈电探针4，所述馈电探针4为4个相同的金属结构件，上端为杯状结构，下端为探针结构，用于对所述上层辐射片1和所述下层辐射片2耦合馈电；馈电网络5，所述馈电网络5为印制电路板，固定在所述扼流圈7背部腔体内，产生四路等幅、相差依次为90°的电信号；介质支撑6，所述介质支撑6为环状介质盘，用于保证四个馈电探针的垂直度和结构强度；扼流圈7，所述扼流圈7为双层金属同心圆形腔结构，使天线方向图具有理想的前后比；射频连接器8，所述射频连接器8外导体与扼流圈7固定，所述射频连接器8内导体与所述馈电网络5电路焊接；介质套9，所述介质套9为柱形介质结构，其直径与馈电探针4的上端杯状结构体内径相同，在其几何中心处为螺纹孔；紧固螺钉10，所述紧固螺钉10用来固定馈电探针4与下层辐射片2，将介质套9嵌套于馈电探针4的上端杯状结构体内，介质套9的几何中心处为螺纹孔，将紧固螺钉10从下层辐射片2的上表面，自上而下，依次穿过下层辐射片2和介质套9，并进行紧固。
更进一步的，所述上层辐射片1和下层辐射片2为圆形结构，且下层辐射片2的直径大于上层辐射片1；上层辐射片1和下层辐射片2的几何中心处为通孔，下层辐射片2通过几何中心处的通孔穿越支撑柱3，固定在所述支撑柱3中部，距离扼流圈7的底部约为0.07λ-0.1λ；上层辐射片1通过几何中心处的通孔穿越支撑柱3，并固定在支撑住3的顶端。在通孔的周围均匀的分别4个孔，其中，下层辐射片2的孔用于安装紧固螺钉的，上层辐射片1的孔用于螺丝刀的伸入对下层辐射片2的紧固螺钉进行安装和拆卸。上层辐射片直径约为对应高频谐振频点的0.5λ，下层辐射片直径为对应低频谐振频点的0.5λ，两层间距约为0.02λ-0.06λ，下层辐射片2通过空间耦合方式对上层辐射片1进行耦合馈电，并作为上层辐射片1的金属地。
更进一步的，所述支撑柱3通过螺钉将所述上层辐射片1和所述下层辐射片2同心依次固定；并将所述支撑柱3固定在所述扼流圈7几何中心处。
更进一步的，所述馈电探针4为4个相同的金属探针，其下端通过所述介质支撑6固定，保证垂直度和结构强度，并焊接在所述馈电网络5上，上端对所述上层辐射片1和所述下层辐射片2进行耦合馈电。
更进一步的，所述馈电网络5为印制电路板，用螺钉固定在所述扼流圈7背部腔体内。其电路由两级威尔金森功分器加宽带移相器构成，保证在工作带宽内产生4路等幅、相差依次为90°的电信号。
更进一步的，所述介质支撑6为环状介质盘结构，介质支撑6表面的四个间隔90°的沉头螺钉孔用来将介质支撑6固定在扼流圈7的几何中心处；介质支撑6表面的四个间隔90°的圆柱凸台结构用来固定和支撑馈电探针4。
更进一步的，所述扼流圈7为双层金属同心圆形腔结构，满足宽频带内天线方向图的高前后比，抑制多径效应；所述射频连接器8外导体与扼流圈7固定。
更进一步的，紧固螺钉10用来固定馈电探针4与下层辐射片2，将介质套9嵌套于馈电探针4的上端杯状结构体内，介质套9的几何中心处为螺纹孔，将紧固螺钉10从下层辐射片2的上表面，自上而下，依次穿过下层辐射片2和介质套9，并进行紧固。
本实施例中通过下层辐射片2对上层辐射片1进行耦合馈电，馈电探针4对下层辐射片2进行耦合馈电来实现天线的宽频带工作。
优选地，采用了纯金属的结构，减少了介质基板引入的损耗，提高了天线增益；
更优选的，采用四点馈电的方式，提高了天线方向图的不圆度和相位中心稳定度，提高了系统的定位精度；
更优选的，采用了两级威尔金森功分器加宽带移相器的馈电方式，实现了天线的宽带圆极化辐射性能；
更优选的，采用了双环形扼流圈的结构，在宽频带内提高了天线方向图前后比，使安装平台对天线方向图的影响大幅减小。
更优选的，支撑介质采用耐高温，抗辐照的特种介质材料，使天线可以适应各种力学、热学、和星载环境要求。
如图2所示，为天线整体结构俯视图，上层辐射片1和下层辐射片2同心安装在扼流圈7的几何中心处；
如图3所示，上层辐射片1为圆形，直径约为对应高频谐振频点的0.5λ，几何中心处的通孔穿越支撑柱3，并固定在支撑住3的顶端；周围四个小孔，间隔90°依次排开，分别对应下层辐射片2的四个馈电点。
如图4所示，下层辐射片2为圆形，直径约为对应低频谐振频点的0.5λ，几何中心处的通孔穿越支撑柱3，固定在所述支撑柱3中部，距离扼流圈7的底部约为0.07λ-0.1λ；周围四个小孔，间隔90°依次排开，分别与馈电探针4耦合连接。
如图5所示，馈电探针4为4个相同的金属结构件，上端为杯状结构，下端为探针结构，用于对所述上层辐射片1和所述下层辐射片2耦合馈电。
如图6所示，介质套9为柱形介质结构，其直径与馈电探针4的上端杯状结构体内径相同，在其几何中心处为螺纹孔；紧固螺钉10用来固定馈电探针4与下层辐射片2，将介质套9嵌套于馈电探针4的上端杯状结构体内，介质套9的几何中心处为螺纹孔，将紧固螺钉10从下层辐射片2的上表面，自上而下，依次穿过下层辐射片2和介质套9，并进行紧固。
如图7所示，介质支撑6为环状介质盘结构，介质支撑6表面的四个间隔90°的沉头螺钉孔用来将介质支撑6固定在扼流圈7的几何中心处；介质支撑6表面的另外四个间隔为90°的圆柱凸台结构用来固定和支撑馈电探针4，具体实施方式为将馈电探针4的下端探针结构插入圆柱凸台结构的中心孔内。
如图8所示，在全导航频带(1.205GHz～1.585GHz)内，辐射方向图在波束宽度120°角域内增益高于0dBi，后瓣小，优于常见的圆极化宽波束天线；
如图7所示，天线驻波带宽(VSWR≤2)大于40％(约1.1GHz-1.68GHz)，与传统的微带天线相比，频带展宽效果显著。
本发明的工作原理如下：扼流圈7作为天线的金属地，射频信号通过馈电网络5产生4路等幅、相差依次为90°的电信号，并由馈电探针4对上下两层辐射片进行耦合馈电，激励起对应频段高频电流，从而辐射出电磁波。本发明的天线接收电磁波的过程与上述辐射电磁波的过程相反。
通过上述技术方案，本发明天线的辐射结构具备低剖面的优点，采用基于空气介质的金属微带辐射结构，满足抗辐照特性；天线满足宽带特性，分别从两方面进行改进设计：首先，在下层辐射片2的上表面增加寄生单元-上层辐射片1；其次，馈电探针4采用寄生电容形式，对下层辐射片2进行耦合馈电。在下层辐射片2和馈电探针4连接处，采用具有抗辐照特性的介质支撑6和介质套9进行固定，使天线整体结构牢靠、稳定。

Claims (5)

1.一种星载高精度导航定位天线，其特征在于包括上层辐射片(1)、下层辐射片(2)、支撑柱(3)、馈电探针(4)、馈电网络(5)、介质支撑(6)、扼流圈(7)和射频连接器(8)；所述扼流圈(7)为双层金属同心圆形腔结构；所述支撑柱(3)为柱状金属结构，并将其固定在所述扼流圈(7)底部上；所述上层辐射片(1)为高频段对应辐射结构，固定在所述支撑柱(3)顶端；所述下层辐射片(2)为低频段对应辐射结构，固定在所述支撑柱(3)中部；所述馈电网络(5)为印制电路板，固定在所述扼流圈(7)背部腔体内，产生四路等幅、相差依次为90°的电信号；所述馈电探针(4)为4个相同的金属探针，下端焊接在所述馈电网络(5)上用于对所述上层辐射片(1)和所述下层辐射片(2)耦合馈电；所述介质支撑(6)为环状介质盘，其上设有四个间隔90°的沉头螺钉孔和四个间隔90°的圆柱凸台结构，馈电探针(4)插入圆柱凸台结构中用于保证馈电探针(4)的垂直度和结构强度，沉头螺钉孔中安装螺钉固定在扼流圈(7)底部上；所述射频连接器(8)外导体与扼流圈(7)固定，内导体与所述馈电网络(5)电路焊接。
2.根据权利要求1所述的一种星载高精度导航定位天线，其特征在于所述上层辐射贴片(1)和下层辐射贴片(2)为金属圆形结构，且下层辐射贴片(2)的直径大于上层辐射贴片(1)；上层辐射贴片(1)和下层辐射贴片(2)的几何中心处为通孔，下层辐射贴片(2)通过几何中心处的通孔穿越支撑柱(3)；上层辐射贴片(1)通过几何中心处的通孔穿越支撑柱(3)，并固定在支撑住(3)的顶端；上层辐射贴片直径为对应高频谐振频点的0.5λ，下层辐射贴片(2)直径为对应低频谐振频点的0.5λ，两层间距为0.02λ-0.06λ，下层辐射贴片(2)距离扼流圈(7)的底部约为0.07λ-0.1λ。
3.根据权利要求1所述的一种星载高精度导航定位天线，其特征在于所述馈电探针(4)的上端为杯状结构，杯状结构中嵌套有介质套(9)，下端为探针结构，所述介质套(9)为柱形介质结构，其直径与馈电探针(4)的上端杯状结构体内径相同，在其几何中心处为螺纹孔，将紧固螺钉(10)依次穿过下层辐射片(2)和介质套(9)固定在螺纹孔中，用于固定馈电探针(4)与下层辐射片(2)。
4.根据权利要求1所述的一种星载高精度导航定位天线，其特征在于所述上层辐射贴片(1)、下层辐射贴片(2)和扼流圈(7)三者同心。
5.根据权利要求1所述的一种星载高精度导航定位天线，其特征在于所述馈电网络(5)由两级威尔金森功分器加宽带移相器构成，保证在工作带宽内产生4路等幅、相差依次为90°的电信号。
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