CN109462024B - 一种宽轴比波束的双频北斗导航天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，包括层叠贴片天线、双频馈电网络、馈电探针和短路探针；所述层叠贴片天线包括由上至下依次排列的第一印刷电路板、第二印刷电路板和地板；所述第一印刷电路板包括至上而下依次设置的第一圆形贴片和第一介质板，所述第二印刷电路板包括至上而下依次设置的第二圆形贴片和第二介质板，所述地板包括从该地板中心到边缘依次设置的中心圆形地板、环形缝隙和地板边缘电阻；由于采用了所提出的地板13设计使天线取得了良好的双频宽轴比波束的效果，另外天线结构简单、增益平稳、体积小，非常适合作为我国北斗二代导航天线。

Description

一种宽轴比波束的双频北斗导航天线
技术领域
本发明涉及一种双频圆极化叠层微带天线，尤其涉及工作在北斗导航1207/1561MHz频段的宽轴比波束双频圆极化天线。
背景技术
卫星导航系统是指为地面、海洋、空间及太空的各种载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业系统，可实现对目标的定位、导航、监管和管理，已经在军事、民用等不同领域发挥出重要的作用，成为不可或缺的无线电应用技术。北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，兼具定位于短报文通信功能。北斗二代系统使用的频段为B1：1559.052～1563.144MHz，B2：1205.094～1209.186MHz，且均为右旋圆极化。
为了满足卫星通信及导航定位系统的应用需求，圆极化天线是需要重点解决的问题之一。而卫星导航定位系统对天线的轴比波束宽度要求比较高，一般要求天线轴比小于3dB时的波束宽度大于120°。但是目前单频或双频宽轴比波束圆极化技术的研究成果不是很多，且现有的研究未能获得理想的效果，往往天线存在轴比波束宽度较窄、结构复杂、剖面高、加工难度大或应用成本高等缺点。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，包括层叠贴片天线、双频馈电网络、馈电探针和短路探针；
所述层叠贴片天线包括由上至下依次排列的第一印刷电路板、第二印刷电路板和地板；所述第一印刷电路板包括至上而下依次设置的第一圆形贴片和第一介质板，所述第二印刷电路板包括至上而下依次设置的第二圆形贴片和第二介质板，所述地板包括从该地板中心到边缘依次设置的中心圆形地板、环形缝隙和地板边缘电阻；
进一步的，所述双频馈电网络包括高频段横跨定向耦合器、低频段横跨定向耦合器和T型支节，所述高频段横跨定向耦合器、低频段横跨定向耦合器和T型支节固定连接在第三介质板的下表面，所述高频段横跨定向耦合器的高频横跨定向耦合器隔离端和低频段横跨定向耦合器的低频横跨定向耦合器隔离端依次通过50Ω匹配电阻、短路探针与地板相连接。
进一步的，所述第一圆形贴片通过第一圆形贴片的馈电探针与高频横跨定向耦合器的输出端口相连接，所述第二圆形贴片通过第二圆形贴片的馈电探针与低频横跨定向耦合器的输出端口相连接，所述第一圆形贴片的馈电探针和第二圆形贴片的馈电探针穿过第二圆形贴片和地板的相应位置处设有保护孔，所述保护孔的直径大于馈电探针和第二馈电探针的直径。
进一步的，所述第一圆形贴片工作于高频段、覆盖1555～1570MHz，所述第二圆形贴片工作于低频段、覆盖1202～1213MHz，所述第一圆形贴片和第二圆形贴片分别用于接收B1频段和B2频段附近的北斗二代卫星定位导航信号。
进一步的，所述地板包括四个地板边缘电阻，每两个地板边缘电阻两间隔90°排列设置，所述环形缝隙和地板边缘电阻构成加载寄生引向环结构，工作状态下通过给定电阻阻值、环形缝隙大小及数目使得地板边缘电阻吸收一部分在地板边缘散射的表面波，从而扩展天线轴比波束宽度和降低轴比。
进一步的，所述低频横跨定向耦合器的输入端口通过T型支节与所述高频段横跨定向耦合器的输入端口相连接；所述低频横跨定向耦合器与高频横跨定向耦合器输出端口均产生两个幅度相同、相位差为90°的信号能量。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，由于采用了所提出的地板13设计使天线取得了良好的双频宽轴比波束的效果，另外天线结构简单、增益平稳、体积小，非常适合作为我国北斗二代导航天线。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的分解结构图；
图2是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的结构侧视图；
图3是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的结构俯视图；
图4是本发明双频馈电网络的结构视图。
图5是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的低频段驻波比图；
图6是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的高频段驻波比图；
图7是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的低频段圆极化轴比和增益图；
图8是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线的高频段圆极化轴比和增益图；
图9是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线在低频段中心频率1207MHz的辐射方向性图；
图10是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线在高频段中心频率1561MHz的辐射方向性图。
图11是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线在低频段中心频率1207MHz轴比波束宽度图；
图12是本发明宽轴比波束双频北斗导航天线在高频段中心频率1561MHz轴比波束宽度图；
图中：1、层叠贴片天线，11、第一印刷电路板，12、第二印刷电路板，111、第一圆形贴片，112、第一介质板，121、第二圆形贴片，122、第二介质板，13、地板，131、中心圆形地板，132、环形缝隙，133、地板边缘电阻，2、双频馈电网络，21、高频段横跨定向耦合器，211、高频横跨定向耦合器输入端，212、高频横跨定向耦合器隔离端，213、214、高频横跨定向耦合器输出端，22、低频段横跨定向耦合器，221、低频横跨定向耦合器输入端，222、低频横跨定向耦合器隔离端，223、224、低频横跨定向耦合器的输出端，23、T型支节，24、第三介质板，3、馈电探针，31、第一圆形贴片的馈电探针32、第二圆形贴片的馈电探针，4、短路探针，5、保护孔，6、50Ω匹配电阻。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：
如图1所示的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，包括层叠贴片天线1、双频馈电网络2、馈电探针3、短路探针4；所述层叠贴片天线1的结构至上而下依次为第一印刷电路板11、第二印刷电路板12以及地板13；进一步地，所述第一印刷电路板11至上而下依次为第一圆形贴片111和第一介质板112，所述第二印刷电路板12至上而下依次为第二圆形贴片121、第二介质板122；进一步地，所述第一圆形贴片111通过第一圆形贴片的馈电探针31与高频横跨定向耦合器21的输出端口213、214连接，所述第二圆形贴片121通过第二圆形贴片的馈电探针32与低频横跨定向耦合器22的输出端口223、224连接。馈电探针3包括第一圆形贴片的馈电探针31和第二圆形贴片的馈电探针32。
在馈电探针3穿越的第二圆形贴片121和地板13的相应位置处设有保护孔5，且保护孔5的直径大于馈电探针3的直径。进一步地，所述第一圆形贴片111工作于高频段，覆盖1555～1570MHz，所述第二圆形贴片121工作于低频段，覆盖1202～1213MHz，分别用于接收B1频段和B2频段附近的北斗二代卫星定位导航信号。
本发明采用的技术指标如下：
频率范围：低频段1202～1213MHz、高频段1555～1570MHz
驻波比：<2:1
轴比：≤3dB
极化方式：RHCP
天线增益：低频段≥3dBi；高频段≥5dBi
轴比波束宽度：低频段和高频段均>200°
如图1和图4所示，所述双频馈电网络2由高频段横跨定向耦合器21、低频段横跨定向耦合器22、T型支节23组成并固定在第三介质板24的下表面。双频馈电网络隔离端口212、222包括高频横跨定向耦合器隔离端212和低频横跨定向耦合器隔离端，高频横跨定向耦合器隔离端212和低频横跨定向耦合器隔离端依次通过50Ω匹配电阻6、短路探针4与地板13相连接。进一步地，所述低频横跨定向耦合器22的输入端口221与所述高频段横跨定向耦合器21的输入端口211通过一个T型支节23连接；所述低频横跨定向耦合器22与高频横跨定向耦合器21输出端口213、214、223、224均产生两个幅度相同，相位差为90°的信号能量，用于实现天线的圆极化辐射。对于低频段信号，T型支节23的高频段横跨定向耦合器21一侧呈高阻抗，低频信号能量传输至低频段定向耦合器22及第二圆形贴片121；对于高频段的信号，T型支节的低频段横跨定向耦合器22一侧呈高阻抗，高频信号能量传输至高频段定向耦合器21及第一圆形贴片111。
如图3所示，所述地板13至中心到边缘依次为中心圆形地板131、环形缝隙132及地板边缘电阻133。所述地板13中地板边缘电阻133共四个，且两两间隔90°排列，环形缝隙132及地板边缘电阻133构成加载寄生引向环结构，通过给定电阻阻值、环形缝隙132大小及数目，能够使得地板边缘电阻133吸收一部分在地板边缘散射的表面波，从而扩展天线轴比波束宽度和降低轴比。
如图5与图6所示，本发明提出的宽轴比波束双频北斗导航天线在1202～1213MHz和1555～1570MHz两个频段内驻波比均小于2，完全覆盖1205.094～1209.186MHz和1559.052～1563.144MHz两个频段，说明本发明提出的天线具有良好的性能。
如图7与图8所示，宽轴比波束双频北斗导航天线在1202～1213MHz和1555～1570MHz两个频段内圆极化轴比均小于3dB，完全覆盖1205.094～1209.186MHz和1559.052～1563.144MHz两个频段，说明本发明提出的天线的圆极化性能良好。
如图9与图10，本发明提出的宽轴比波束双频北斗导航天线在低频段与高频段内均实现了右旋圆极化，说明本发明满足北斗二代的工作方式。
如图11与图12，本发明提出的宽轴比波束双频北斗导航天线在低频段中心频率1207MHz处的轴比波束宽度为204°(Phi＝0°)/211°(Phi＝90°)；高频段中心频率1561MHz处轴比波束宽度为226°(Phi＝0°)/226°(Phi＝90°)。轴比波束宽度均超过200°，说明本发明双频北斗导航天线具有较宽的轴比波束宽度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽轴比波束的双频北斗导航天线,其特征在于包括：层叠贴片天线(1)、双频馈电网络(2)、馈电探针(3)和短路探针(4)；
所述层叠贴片天线(1)包括由上至下依次排列的第一印刷电路板(11)、第二印刷电路板(12)和地板(13)；所述第一印刷电路板(11)包括至上而下依次设置的第一圆形贴片(111)和第一介质板(112)，所述第二印刷电路板(12)包括至上而下依次设置的第二圆形贴片(121)和第二介质板(122)，所述地板(13)包括从该地板(13)中心到边缘依次设置的中心圆形地板(131)、环形缝隙(132)和地板边缘电阻(133)；
所述地板(13)中地板边缘电阻(133)共四个，且两两间隔90°排列；
所述双频馈电网络(2)包括高频段横跨定向耦合器(21)、低频段横跨定向耦合器(22)和T型支节(23)，所述高频段横跨定向耦合器(21)、低频段横跨定向耦合器(22)和T型支节(23)固定连接在第三介质板(24)的下表面，所述高频段横跨定向耦合器(21)的高频横跨定向耦合器隔离端(212)和低频段横跨定向耦合器(22)的低频横跨定向耦合器隔离端(222)依次通过50Ω匹配电阻(6)、短路探针(4)与地板(13)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，其特征还在于：所述第一圆形贴片(111)通过第一圆形贴片的馈电探针(31)与高频横跨定向耦合器(21)的输出端口相连接，所述第二圆形贴片(121)通过第二圆形贴片的馈电探针(32)与低频横跨定向耦合器(22)的输出端口相连接，所述第一圆形贴片的馈电探针(31)和第二圆形贴片的馈电探针(32)穿过第二圆形贴片(121)和地板(13)的相应位置处设有保护孔(5)，所述保护孔(5)的直径大于馈电探针(31)和第二馈电探针(32)的直径。
3.根据权利要求1所述的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，其特征还在于：所述第一圆形贴片(111)工作于高频段、覆盖1555～1570MHz，所述第二圆形贴片(121)工作于低频段、覆盖1202～1213MHz，所述第一圆形贴片(111)和第二圆形贴片(121)分别用于接收B1频段和B2频段附近的北斗二代卫星定位导航信号。
4.根据权利要求1所述的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，其特征还在于：所述地板(13)包括四个地板边缘电阻(133)，每两个地板边缘电阻(133)间隔90°排列设置，通过在地板上开设环形缝隙(132)、并在地板设置四个地板边缘电阻(133)构成加载寄生引向环结构，工作状态下通过给定电阻阻值、环形缝隙(132)大小及数目使得地板边缘电阻(133)吸收一部分在地板边缘散射的表面波，从而扩展天线轴比波束宽度和降低轴比。
5.根据权利要求1所述的一种宽轴比波束的双频北斗导航天线，其特征还在于：所述低频横跨定向耦合器(22)的输入端口通过T型支节(23)与所述高频段横跨定向耦合器(21)的输入端口相连接；所述低频横跨定向耦合器(22)与高频横跨定向耦合器(21)输出端口均产生两个幅度相同、相位差为90°的信号能量。
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