CN109818139A - 一种圆极化交叉偶极子gps导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，包括上层介质基板、下层介质基板、中间介质基板、辐射单元、寄生单元及馈电单元，所述上层介质基板及下层介质基板相互平行设置，所述中间介质基板设置在上、下层介质基板之间，并分别垂直于上、下层介质基板，所述下层介质基板的下表面设置有反射板，本发明在具有尺寸小、带宽较大和宽波束等优点，可以很好的应用于GPS卫星导航终端设备。
Description
技术领域
本发明涉及的是天线技术领域，具体涉及一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线。
背景技术
圆极化(CP)天线与线极化天线相比较不但对天线的接收跟发射的方向没有严格的要求，还能够降低极化失配并对多径干扰进行抑制并对抗电离层的法拉第旋转效应，由此可以提供接收天线跟发射天线之间的稳定链路。综合上述优势，圆极化天线在各种无线通信系统中得到了很广泛的应用，如无线视频识别(RFID)，无线局域网(WLAN)，卫星通信(SC)和全球定位系统(GPS)等。随着无线通信技术的高速发展，对宽阻抗带宽、宽轴比带宽和宽的波束宽度提出了更高的要求。
全球四大卫星导航系统有全球定位系统(Global Positioning System)、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略系统(Galileo)与中国的北斗卫星系统(BDS)。这四大系统都对接收天线的宽波束宽度提出了更高要求从而确保足够的通信链路的连接。其中最早起步的也是最成熟的全球定位系统GPS工作在两个频段L1频率1575.42MHz和L2频率1227.6MHz。绝大部分的GPS仅工作在L1频率并以右旋圆极化工作。目前，GPS仍然是中国技术应用最为广泛的卫星定位导航系统。由此可见，能够实现GPS导航天线的右旋圆极化在实际应用中有很大的利用价值。然而多数传统的微带天线的圆极化带宽一般不超过5％，通过馈电网络来提高微带贴片天线的圆极化更是增加了系统的成本跟尺寸，阻抗带宽跟波束宽度也并不是很理想。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供了一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，具有结构简单、圆极化带宽跟波束宽度大等优点。
本发明采用如下技术方案：
一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板、中间介质基板、辐射单元、寄生单元及馈电单元，所述上层介质基板及下层介质基板相互平行设置，所述中间介质基板设置在上、下层介质基板之间，并分别垂直于上、下层介质基板，所述下层介质基板的下表面设置有反射板；
所述辐射单元包括两对磁偶极子，所述两对磁偶极子呈十字交叉结构，两对磁偶极子的结构相同，每对磁偶极子均包括两个长方形贴片及两根铜柱，两根铜柱分别与两个长方形贴片连接构成偶极子臂，所述两个长方形贴片分别印刷在上层介质基板的上表面及下表面；
所述寄生单元设置在上层介质基板的中间位置。
所述辐射单元中，位于上层介质基板同一表面的两个长方形贴片通过相位延迟线相连接。
所述馈电单元包括同轴线，同轴线的内芯与上层介质基板上表面的相位延迟线连接，同轴线的外导体与上层介质基板下表面的相位延迟线及位于下层介质基板下表面的反射板连接。
所述寄生单元具体为方形金属贴片，夹在上层介质基板的几何中心位置。
所述上层介质基板及下层介质基板为方形；
所述中间介质基板有四个，每个中间介质基板由两个相互垂直的方形介质基板构成，四个中间介质基板位于上层介质基板及下层介质基板的四个角，两个相互垂直的方形介质基板位于不同的面。
本发明还包括金属贴片，所述金属贴片设置在中间介质基板的外表面。
所述相位延迟线是一段印刷开口环，其长度为1/4λ0-1/16λ0<l<1/4λ0+1/10λ0，λ0为所述天线中心频率对应的微带线中的波长。
所述相位延迟线的长度为四分之一波长。
所述上层介质基板与中间介质基板形成反射腔。
磁偶极子通过相位延迟线馈电产生90度相位差。
本发明所述的一种交叉偶极子圆极化GPS天线，交叉偶极子辐射体由位于上层介质基板上下两个表面的长方形贴片和铜柱组成，其中相位延迟线提供了90°相位差进而产生圆极化辐射；而背腔可以增加带宽和改善轴比；四个铜柱与臂相连起到延伸、向下弯折、扩宽波束同时小型化。
本发明的有益效果：
(1)天线通过四个铜柱分别与长方形贴片臂相连起到了延伸、向下弯折、扩宽波束宽度同时小型化；
(2)天线将方形寄生贴片放置到与交叉偶极子同一介质基板中间提高了利用效率也提高了天线的工作带宽；
(3)天线采用四个独特的背腔进一步对天线小型化并且增加了带宽，对轴比也有一定的改善。
(4)所述交叉偶极子圆极化GPS导航天线具有体积小、宽波束的特点。天线的体积是0.36λ0×0.36λ0×0.2λ0，-10dB阻抗带宽达到54％，3dB轴比带宽达到28％，单个天线平均增益为4.5dBi，半功率波束宽度均能达到120°以上。
附图说明
图1是本发明整体结构的侧视图；
图2是本发明整体结构的俯视图；
图3是本发明的反射系数仿真实验数据图；
图4是本发明的轴比仿真实验数据图；
图5是本发明在1.575GHz处Phi＝0°与Phi＝90°时的轴比波束宽度；
图6是本发明在1.575GHz处Phi＝0°左右旋圆极化方向图；
图7是本发明在1.575GHz处Phi＝90°左右旋圆极化方向图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
图1和图2分别是本发明实施例一种交叉偶极子圆极化GPS导航天线的侧视图跟俯视图，应用在GPS卫星导航终端设备。参照图2和图3所示，在本实施例中，该圆极化交叉偶极子GPS天线包括上层介质基板1、下层介质基板2、中间介质基板、辐射单元、金属贴片、寄生单元6及馈电单元4。所述中间介质基板设置在上、下层介质基板之间，并分别垂直于上、下层介质基板，所述下层介质基板的下表面设置有反射板；
所述上层介质基板与下层介质基板间隔一定距离，且相互平行设置，本实施例中，上下层介质基板尺寸相同。所述中间介质基板由四个结构尺寸完全相同且垂直放置的中间介质基板31、32、33和34构成，每个中间介质基板由两个相互垂直的方形介质基板构成，四个中间介质基板本实施例位于上下层介质基板的四个角。上层介质基板、下层介质基板及方形介质基板形成反射腔，两个方形介质基板位于反射腔的不同面。
所述上下层介质基板通过四个相同并按照连续旋转90°顺序排列的中间介质基板支撑，所述四个介质基板外表面分别贴着四个金属贴片71、72、73和74。
所述辐射单元包括相互垂直的两对磁偶极子51、52，所述两对磁偶极子结构尺寸相同。每对磁偶极子均包括两个长方形贴片及两根铜柱，两根铜柱分别与两个长方形贴片连接构成偶极子臂，垂直交叉点位于上层介质基板的中心点，本实施例中两对磁偶极子分别位于上层介质基板的横向中线及纵向中线。每对磁偶极子的两个长方形贴片分别位于上层介质基板的上表面或者下表面。
本实施例中两对磁偶极子位于上层介质基板同一表面的两个长方形贴片通过自相移结构的相位延迟线相连接，位于同一表面的两个长方形贴片相互垂直，相位延迟线形状为印刷开口环，开口位置位于两个长方形贴片之间，长方形贴片结构尺寸相同，其长度l满足1/4λ0-1/16λ0<l<1/4λ0+1/10λ0，式中λ0为所述天线中心频率对应的微带线中的波长，一般l取1/4λ0。
两对磁偶极子通过相位延迟线馈电可以产生90度相位差。
所述馈电单元具体为同轴馈电，包括内芯及外导体，同轴线的内芯与上层介质基板上表面的相位延迟线连接，同轴线的外导体与上层介质基板下表面的相位延迟线及位于下层介质基板下表面的反射板连接，从而交叉偶极子的四个臂产生0°、90°、180°、270°的相位差，实现了圆极化。
所述寄生单元6具体为方形金属贴片，夹在上层介质基板的几何中心位置如图1所示，方形贴片夹在两个磁偶极子之间。
本实施例中上层介质基板1和下层介质基板2的尺寸均是57mm×57mm即g＝57mm，高度h0＝h1＝1mm；中间介质基板31、32、33和34分别由两个尺寸完全相同15mm×1mm×28mm(l＝15)且相互垂直的介质基板组成；所述两对偶极子分别包括两个相同的长方形贴片跟两个相同的铜柱，即铜柱81跟铜柱83或者铜柱82跟铜柱84，每一个铜柱与各自的长方形贴片相连接，进而两对偶极子的长方形贴片分别蚀刻在上层介质基板1的上下表面，同一表面的两个长方形贴片臂通过四分之一波长印刷开口圆环连接，其中长方形贴片长l1＝23mm，宽w1＝3mm；方形金属贴片6为寄生单元放置在介质基板的中间即距离介质基板的上下表面高度相等，方形金属贴片6的边长为w＝20mm；四个金属贴片71、72、73和74分别设置在介质基板31、32、33和34外表面；反射板9放置在下层介质基板2的下表面，所述反射板9的长宽均为57mm。
图3是本发明所设计圆极化交叉偶极子天线的反射系数仿真图，从图中可以看出该天线在L1频段(1.575GHz)的-10dB阻抗带宽为1.17GHz—2.03GHz，绝对带宽为0.86GHz，相对带宽为54％。本实施例阻抗带宽优于传统的交叉偶极子圆极化天线(20％左右)，因此本发明的天线具有良好的阻抗带宽特性。
图4是本发明所设计圆极化交叉偶极子天线的轴比仿真图，从图中可以看出该天线在L1频段的3dB圆极化带宽为1.26GHz—1.67GHz，绝对带宽为0.41GHz，相对带宽为28％，其轴比特性也比传统的交叉偶极子圆极化天线(15％左右)要好。
图5是本发明所设计圆极化交叉偶极子天线在1.575GHz处Phi＝0°与Phi＝90°时的轴比波束宽度，可以看出Phi＝0°时的轴比波束宽度约为100°，Phi＝90°时的轴比波束宽度为151.5°。
图6和图7分别是本发明所设计圆极化交叉偶极子天线在1.575GHz处Phi＝0°与Phi＝90°时的左右旋圆极化方向图，从图中可以看出天线的右旋圆极化(主极化)场分量总是比对应的左旋圆极化(交叉极化)场分量高24dB，因此可以证明所提出的天线是一个很好的右旋圆极化天线。半功率波束宽度分别为128°和124°。
本发明四个铜柱分别与长方形贴片臂相连起到了延伸、向下弯折、扩宽波束宽度同时小型化。天线将方形寄生贴片放置到与交叉偶极子同一介质基板中间提高了利用效率也提高了天线的工作带宽。天线采用四个独特的背腔进一步对天线小型化并且增加了带宽，对轴比也有一定的改善。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，包括上层介质基板、下层介质基板、中间介质基板、辐射单元、寄生单元及馈电单元，所述上层介质基板及下层介质基板相互平行设置，所述中间介质基板设置在上、下层介质基板之间，并分别垂直于上、下层介质基板，所述下层介质基板的下表面设置有反射板；
所述辐射单元包括两对磁偶极子，所述两对磁偶极子呈十字交叉结构，两对磁偶极子的结构相同，每对磁偶极子均包括两个长方形贴片及两根铜柱，两根铜柱分别与两个长方形贴片连接构成偶极子臂，所述两个长方形贴片分别印刷在上层介质基板的上表面及下表面；
所述寄生单元设置在上层介质基板的中间位置。
2.根据权利要求1所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述辐射单元中，位于上层介质基板同一表面的两个长方形贴片通过相位延迟线相连接。
3.根据权利要求2所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述馈电单元包括同轴线，同轴线的内芯与上层介质基板上表面的相位延迟线连接，同轴线的外导体与上层介质基板下表面的相位延迟线及位于下层介质基板下表面的反射板连接。
4.根据权利要求1所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述寄生单元具体为方形金属贴片，夹在上层介质基板的几何中心位置。
5.根据权利要求1所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述上层介质基板及下层介质基板为方形；
所述中间介质基板有四个，每个中间介质基板由两个相互垂直的方形介质基板构成，四个中间介质基板位于上层介质基板及下层介质基板的四个角，两个相互垂直的方形介质基板位于不同的面。
6.根据权利要求5所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，还包括金属贴片，所述金属贴片设置在中间介质基板的外表面。
7.根据权利要求2所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述相位延迟线是印刷开口环，其长度为1/4λ0-1/16λ0<l<1/4λ0+1/10λ0，λ0为所述天线中心频率对应的微带线的波长。
8.根据权利要求7所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述相位延迟线的长度为四分之一波长。
9.根据权利要求1所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，所述上层介质基板与中间介质基板形成反射腔。
10.根据权利要求3所述的一种圆极化交叉偶极子GPS导航天线，其特征在于，磁偶极子通过相位延迟线馈电产生90度相位差。
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Legal Events
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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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