CN109728401B - 一种高增益多频段导航天线 - Google Patents

Abstract

一种高增益多频段导航天线，包含天线罩、天线底板、天线盖板、GPS天线印制板、BD天线印制板、第一同轴子、第二同轴子、转接板、密封圈、射频放大电路板和N型连接器。第一同轴子贯穿GPS天线印制板、天线底板和射频放大电路板；第二同轴子贯穿BD天线印制板、天线底板和射频放大电路板。GPS天线印制板、BD天线印制板、射频放大电路板均通过螺钉与天线底板固定。N型连接器跟射频放大电路板焊接在一起。天线盖板一侧固定在天线底板上，另一侧和转接板连接。天线罩固定在天线底板上。本发明可以实现天线在多频段工作，频率覆盖GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3等卫星导航频段；具备较宽的波束覆盖范围，增益高，免调试，相位中心稳定度高。

Description

一种高增益多频段导航天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是涉及一种高增益多频段导航天线，属于测量天线技术领域。

背景技术

随着我国卫星导航定位系统的不断发展，基于GPS系统和北斗系统的各种应用已遍布国民经济的各个领域，并朝着多系统、多模式、高增益的方向发展。在保证天线基本功能的情况下，如何将天线带宽做得更宽、增益更高，已成为天线设计师必须面对的难题。

卫星导航定位系统，要求天线在宽频带范围内具有较高的增益及稳定的相位中心以及一定的抗干扰能力。并且结构越简单，越能快速占领市场。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高增益多频段导航天线，工作频率能够覆盖GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3卫星导航频段，具有宽频带、高增益、相位中心稳定的特点，结构简单，免调试，易于批量生产。

本发明的技术解决方案是：

一种高增益多频段导航天线，包括天线罩、天线底板、天线盖板、GPS天线印制板、BD天线印制板、第一同轴子、第二同轴子、转接板、密封圈、射频放大电路板和N型连接器；

天线底板上表面设计有凸台，下表面设计有凹槽，BD天线印制板为环状结构，套装在天线底板凸台上，且套装后BD天线印制板与天线底板凸台上表面平齐；射频放大电路板(固定在天线底板凹槽内，N型连接器安装在天线底板上，且N型连接器的内导体与射频放大电路板焊接；第二同轴子贯穿BD天线印制板、天线底板和射频放大电路板，并在两端焊接；GPS天线印制板安装于天线底板凸台以及BD天线印制板上表面；第一同轴子贯穿GPS天线印制板、天线底板和射频放大电路板，并在两端焊接；

天线盖板固定在天线底板下表面，且天线底板下表面与天线盖板相接触的平面上设置有密封圈；天线盖板另一侧与转接板连接；天线罩密封安装在天线底板上表面，用于罩住GPS天线印制板、BD天线印制板、第一同轴子和第二同轴子。

还包括隔筋，所述射频放大电路板上加工有空腔，隔筋穿过所述空腔中固定在天线底板凹槽内。

所述GPS天线印制板与BD天线印制板接触的一侧表面覆铜，且覆铜面积不能超过BD天线印制板的有效区域；

GPS天线印制板另一侧的有效区域覆铜，所述有效区域的边长用于调节GPS工作频率范围。

所述GPS天线印制板的介质层采用F4BM材料，介质层厚度不小于6mm。

所述BD天线印制板与天线底板接触的一侧表面覆铜，另一侧有效区域覆铜，且该有效区域的边缘处设置有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围。

所述BD天线印制板的介质层采用F4BM材料，介质层厚度不小于8mm，调谐齿的长度在4mm到10mm之间，宽度在1mm到5mm之间。

所述天线底板、天线盖板、转接板、隔筋为金属材料，射频放大电路板与天线底板接触的一侧表面覆铜，另一侧设置电路元器件。

射频放大电路板选用材料为FR4，天线罩为环氧树脂硬质层压板材料。。

所述GPS天线印制板有效区域上设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，所述XOY坐标系的原点为GPS天线印制板有效区域的中心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。

所述BD天线印制板有效区域上设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，且其X轴坐标与GPS天线印制板位于X轴上的馈电孔X轴坐标符号相反，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，且其Y轴坐标与GPS天线印制板位于Y轴上的馈电孔Y轴坐标符号相反；

BD天线印制板上两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，且大于GPS天线印制板有效区域上两个馈电孔到原点的距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用双端口探针馈电的方式。通过对上层GPS天线印制板和下层BD天线印制板均进行双点馈电，可以有效地改善天线在宽角域范围内的辐射特性，提高天线在宽角域范围内的轴比特性、相位中心特性及抗干扰能力等。

(2)上层GPS天线印制板激励辐射电磁波以后，可以工作于BDB1、GPSL1和GNSS三个频段；下层BD天线印制板激励辐射电磁波以后，可以工作于BDB3和GPSL2频段。GPS天线印制板和BD天线印制板构成双层微带天线，并通过增加印制板厚度的方法，可以有效地扩展天线带宽。这样整个天线就可以实现五个频段同时工作，大大提高了系统的可靠性。

(3)本发明中GPS天线印制板和BD天线印制板有效区域覆铜，通过设置有效区域范围，可以使得天线性能达到最优，结构简单，外形美观，适合批量生产。

(4)BD天线印制板边缘均加了一定长度的矩形调谐齿，以应对天线介质板的介电常数偏差带来的误差影响。

附图说明

图1为本发明高增益多频导航天线侧视图；

图2为本发明高增益多频导航天线揭去天线罩俯视图；

图3为本发明高增益多频导航天线揭去天线盖板仰视图；

图4为本发明GPS天线印制板示意图；

图5为本发明BD天线印制板示意图；

图6为本发明用于同轴馈电的第一同轴子示意图；

图7为本发明射频放大电路板的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明设计了一种高增益多频段导航天线，可以用于试验场、总装厂、技术阵地等场所进行导航测量及定位，实现多频工作，覆盖GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3卫星导航频段；具备较宽的波束覆盖范围，增益高，结构简单，免于调试，相位中心稳定度高。广泛应用于各种定位测量系统中。

如图1、2所示，本发明包括天线罩1、天线底板2、天线盖板3、GPS天线印制板4、BD天线印制板5、第一同轴子6、第二同轴子7、转接板8、隔筋9、密封圈10、射频放大电路板11和N型连接器12。

天线底板2上表面设计有凸台，下表面设计有凹槽，BD天线印制板5为环状结构，套装在天线底板2凸台上，且套装后BD天线印制板5与天线底板2凸台上表面平齐；射频放大电路板11上加工有空腔，隔筋9穿过所述空腔固定在天线底板2凹槽内，N型连接器12安装在天线底板2上，且N型连接器12的内导体与射频放大电路板11焊接；第二同轴子7贯穿BD天线印制板5、天线底板2和射频放大电路板11，并在两端焊接；GPS天线印制板4安装于天线底板2凸台以及BD天线印制板5上表面；第一同轴子6贯穿GPS天线印制板4、天线底板2和射频放大电路板11，并在两端焊接。同轴子的作用是实现天线印制板和射频放大电路板的射频信号传输，也就是馈电。卫星导航的电磁波信号，经过GPS天线印制板和BD天线印制板接收后，通过同轴子传输给射频放大电路板，两路信号分别进行滤波放大，再滤波再放大，最后合成一路从N型连接器输出，送给接收机进行后续信号处理。

如图2、3所示，天线盖板、GPS天线印制板、BD天线印制板、隔筋、射频放大电路板均通过螺钉与天线底板固定。天线盖板3固定在天线底板2下表面，且天线底板2下表面与天线盖板3相接触的平面上设置有密封圈10，保证产品密封。天线盖板3另一侧与转接板8螺纹连接，且四周用螺钉固定。

天线罩1密封安装在天线底板2上表面的卡槽中，卡槽空隙填满硅橡胶，且天线罩1与天线底板四周用螺钉固定。卡槽空隙填满硅橡胶，是为了保证产品的密封性能，延长天线使用寿命。

天线罩1用于罩住GPS天线印制板4、BD天线印制板5、第一同轴子6和第二同轴子7。

如图4所示，GPS天线印制板与BD天线印制板接触的一侧表面覆铜，另一侧有效区域覆铜，有效区域边长用于调节GPS工作频率范围，GPS天线印制板的介质层采用F4BM材料。天线印制板的介电常数越低，厚度越大，带宽也越宽。为此，GPS天线印制板的介质层厚度至少为6mm，介质层的介电常数为2.65，GPS天线印制板的边长在50mm到60mm之间。可以有效地扩展带宽。GPS天线印制板用于实现GPS信号的接收。

如图5所示，BD天线印制板与天线底板接触的一侧表面覆铜，另一侧有效区域覆铜。有效区域边缘位置均有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围，BD天线印制板的介质层采用F4BM材料。BD天线印制板的介质层厚度至少为8mm，介质层的介电常数为2.65。BD天线印制板的边长在70mm到80mm之间，调谐齿的长度在4mm到10mm之间，宽度在1mm到5mm之间。天线底板凸台的直径在23mm到30mm之间。BD天线印制板用于实现北斗信号接收。

如图1、3和图7所示，天线底板、天线盖板、转接板、隔筋为金属材料，射频放大电路板与天线底板接触的一侧覆铜，另一侧设置电路元器件。射频放大电路板选用材料为FR4。所述射频放大电路板厚度至少为0.8mm，直径在135mm至145mm之间，宽度在90mm到110mm之间，介电常数为4.4。射频放大电路板的功能为实现射频信号的滤波放大，保证放大电路增益满足系统使用要求。

GPS天线印制板与BD天线印制板的有效区域均指上表面的电子元器件覆盖区域。

如图4所示，GPS天线印制板上表面有效区域设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，所述XOY坐标系的原点为有效区域的中心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。

如图5所示，BD天线印制板上表面有效区域设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，且其X轴坐标与GPS天线印制板4位于X轴上的馈电孔X轴坐标符号相反，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，且其Y轴坐标与GPS天线印制板4位于Y轴上的馈电孔Y轴坐标符号相反；BD天线印制板5上两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，且大于GPS天线印制板4有效区域上两个馈电孔到原点的距离。

天线罩为环氧树脂硬质层压板材料，该天线罩的材料最大厚度为31mm，直径在150mm到160mm之间。

如图6所示，第一同轴子长度在20mm到28mm之间。同轴子由SFT-50-3-1的电缆加工而成。加工时需将电缆的外铜皮去掉，内导体两头剥出。第二同轴子的加工材料和方法与第一同轴子相同。

本发明设计采用叠层微带天线分别双端口同轴馈电的方式，可以改善天线的辐射特性，提高天线在宽频带宽角域范围内的轴比特性、相位中心特性及抗干扰能力等。GPS天线印制板和BD天线印制板同时激励电磁波时，天线可工作于GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3五个频段，大大提高了系统的可靠性。广泛应用于各种定位测量系统中。

另外，本发明天线的对外接口多样：一是拆除转接板，天线盖板可以直接通过螺纹孔安装在发射车上；二是转接板的底面中间位置有两个安装孔，可以安装在三脚架上，适合随时随地进行卫星导航定位；三是转接板底面边缘位置均布了通孔，适合仪器车等载体进行直接装配。这也是本发明的一个创新点。相对于传统导航天线，极大地扩展了应用领域。

实施例：

1、天线罩1的直径为153mm，最大高度为31mm。

2、天线底板2的直径为161mm，高度为37mm；转接板8的高度为78mm，转接板8的底面直径为80mm。隔筋的尺寸包络为直径140mm的圆。天线底板2的凸台直径为26mm。

3、GPS天线印制板4有效区域为方形，边长为55mm。介质板边长为76mm，介质材料为F4BM，介电常数2.65，厚度6mm。GPS天线印制板上表面有效区域设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系中的(-10mm，0mm)位置，另一个馈电孔在XOY坐标系中的(0，10mm)位置，所述XOY坐标系的原点为方形有效区域的中心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。

4、BD天线印制板5有效区域为方形，边长为74mm，调谐齿长度为5.5mm，宽度为3mm。介质板边长98mm，介质材料为F4BM，介电常数2.65，厚度8mm。BD天线印制板上的方形有效区域上设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系中的(24mm，0mm)位置，另一个馈电孔在XOY坐标系中的(0，-24mm)位置，所述XOY坐标系的原点为方形覆铜的中心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。

5、射频放大电路板11的尺寸，直径140mm的圆，宽度为100mm。材料为FR4，介电常数4.4，厚度0.8mm。

6、第一同轴子长度为28mm，第二同轴子长度为22mm。

7、整机天线的尺寸为直径161mm，高度136mm不含接插件等外围突出部分。最大外形不超过180mm。

经过大量仿真及加工测试，该天线能够充分覆盖GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3的频率范围，天线增益高于47dB，轴比0.5～2.5dB，重量1.9kg。该天线可以有效地工作于1.216GHz～1.278GHz和1.559GHz～1.609GHz，并实现的高增益射频信号接收。跟同类产品相比，天线增益高出约10dB。

由于工作带宽较宽，增益高，结构简单，轴比性能好，免于调试，本发明已经实现了批量生产。另外，本发明对外接口多样，可以实现与各种仪器车等载体的无缝装配连接，具有广泛应用前景。本发明产品已经过各种试验阵地考核，表现出色。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。

Claims (8)

1.一种高增益多频段导航天线，其特征在于：包括天线罩(1)、天线底板(2)、天线盖板(3)、GPS天线印制板(4)、BD天线印制板(5)、第一同轴子(6)、第二同轴子(7)、转接板(8)、密封圈(10)、射频放大电路板(11)和N型连接器(12)；

天线底板(2)上表面设计有凸台，下表面设计有凹槽，BD天线印制板(5)为环状结构，套装在天线底板(2)凸台上，且套装后BD天线印制板(5)与天线底板(2)凸台上表面平齐；射频放大电路板(11)固定在天线底板(2)凹槽内，N型连接器(12)安装在天线底板(2)上，且N型连接器(12)的内导体与射频放大电路板(11)焊接；第二同轴子(7)贯穿BD天线印制板(5)、天线底板(2)和射频放大电路板(11)，并在两端焊接；GPS天线印制板(4)安装于天线底板(2)凸台以及BD天线印制板(5)上表面；第一同轴子(6)贯穿GPS天线印制板(4)、天线底板(2)和射频放大电路板(11)，并在两端焊接；

天线盖板(3)固定在天线底板(2)下表面，且天线底板(2)下表面与天线盖板(3)相接触的平面上设置有密封圈(10)；天线盖板(3)另一侧与转接板(8)连接；天线罩(1)密封安装在天线底板(2)上表面，用于罩住GPS天线印制板(4)、BD天线印制板(5)、第一同轴子(6)和第二同轴子(7)；

同轴子的作用是实现天线印制板和射频放大电路板的射频信号传输，也就是馈电，卫星导航的电磁波信号，经过GPS天线印制板和BD天线印制板接收后，通过同轴子传输给射频放大电路板，两路信号分别进行滤波放大，再滤波再放大，最后合成一路从N型连接器输出，送给接收机进行后续信号处理；

GPS天线印制板介质层的介电常数为2.65，GPS天线印制板的边长在50mm到60mm之间；BD天线印制板介质层的介电常数为2.65，BD天线印制板的边长在70mm到80mm之间；射频放大电路板选用材料为FR4，所述射频放大电路板厚度至少为0.8mm，直径在135mm至145mm之间，宽度在90mm到110mm之间，介电常数为4.4；

天线的对外接口多样：一是拆除转接板，天线盖板直接通过螺纹孔安装在发射车上；二是转接板的底面中间位置有两个安装孔，能够安装在三脚架上，适合随时随地进行卫星导航定位；三是转接板底面边缘位置均布了通孔，适合载体进行直接装配；

所述天线采用双端口探针馈电的方式，对上层GPS天线印制板和下层BD天线印制板均进行双点馈电；

所述天线覆盖GPSL1、L2、GNSS、BDB1、B3的频率范围，天线增益高于47dB，轴比0.5～2.5dB，重量1.9kg；能够工作于1.216GHz～1.278GHz和1.559GHz～1.609GHz，并实现高增益射频信号接收；

所述GPS天线印制板(4)的介质层采用F4BM材料，介质层厚度不小于6mm；

所述BD天线印制板(5)的介质层采用F4BM材料，介质层厚度不小于8mm，调谐齿的长度在4mm到10mm之间，宽度在1mm到5mm之间。

2.根据权利要求1所述的一种高增益多频段导航天线，其特征在于：还包括隔筋(9)，所述射频放大电路板(11)上加工有空腔，隔筋(9)穿过所述空腔中固定在天线底板(2)凹槽内。

3.根据权利要求1所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：所述GPS天线印制板(4)与BD天线印制板(5)接触的一侧表面覆铜，且覆铜面积不能超过BD天线印制板(5)的有效区域；

GPS天线印制板(4)另一侧的有效区域覆铜，所述有效区域的边长用于调节GPS工作频率范围。

4.根据权利要求1所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：所述BD天线印制板(5)与天线底板(2)接触的一侧表面覆铜，另一侧有效区域覆铜，且该有效区域的边缘处设置有矩形调谐齿，用于调节BD天线的工作频率范围。

5.根据权利要求1所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：所述天线底板(2)、天线盖板(3)、转接板(8)、隔筋(9)为金属材料，射频放大电路板(11)与天线底板(2)接触的一侧表面覆铜，另一侧设置电路元器件。

6.根据权利要求5所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：射频放大电路板(11)选用材料为FR4，天线罩(1)为环氧树脂硬质层压板材料。

7.根据权利要求1所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：所述GPS天线印制板(4)有效区域上设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，所述XOY坐标系的原点为GPS天线印制板(4)有效区域的中心，+X轴为0°方向，+Y轴为90°方向。

8.根据权利要求7所述一种高增益多频段导航天线，其特征在于：所述BD天线印制板(5)有效区域上设置有两个馈电孔，一个馈电孔在XOY坐标系X轴上，且其X轴坐标与GPS天线印制板(4)位于X轴上的馈电孔X轴坐标符号相反，另一个馈电孔在XOY坐标系Y轴上，且其Y轴坐标与GPS天线印制板(4)位于Y轴上的馈电孔Y轴坐标符号相反；

BD天线印制板(5)上两个馈电孔到XOY坐标系原点的距离相同，且大于GPS天线印制板(4)有效区域上两个馈电孔到原点的距离。

Images