CN111200181A - 兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，旨在提供一种具有更小高度，抗干扰能力强，可移植性高，兼容导航、通信应答功能的组合天线。本发明通过下述技术方案实现：导航系统天线固定在圆柱腔体内，并且包含顺次相连的多层微带天线和放大电路模块，应答天线由垂直固联在所述座盘盘面上围绕所述屏蔽筒圆阵分布立板及其固定其上的折叠振子和其下座盘底板隔层装配的功分器构成，功分器通过底板隔层对折叠振子进行馈电；放大电路模块对来自于上述多层微带天线的各路射频信号分别进行放大滤波，再由放大电路模块里的多工器合路后输出卫星导航天线的射频信号。本发明可根据不同的应用平台要求来更换卫星天线或应答天线能满足多平台应用。

Description

兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线
技术领域
本发明是关于兼容三系统卫星导航及全向通信应答功能的组合天线。
背景技术
随着通讯技术的迅猛发展，天线面临着小型化、多频带、一体化的挑战。电子设备不断增多，多个天线通常组合安装在一起协同工作，使得平台上的天线交错林立，造成设备上的电磁环境复杂，甚至影响设备的正常通信。因此，如何有效的解决上述问题，设计出性能优良的多功能组合天线，具有挑战性。
在很多系统中，电磁波的发射和接收都要通过天线来实现。天线作为通信设备的收发设备，天线性能的好坏对地空通信的质量有着重要的影响。导航卫星信号要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性。为了满足各种需求，宽带、多频段、小型化等不同性能的天线成为了主流趋势。然而大多数天线只能覆盖单个频段。GPS接收天线是将卫星发出的无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流，大多数GPS天线通常是抛物面状的,也有一些多焦点天线是由球面和抛物面组合而成，其作用是将来自卫星转发器的微弱超高频电磁波加以聚集,并转换成导波中的电磁波或传输电缆中的高频电流,通过波导或高频电缆送给卫星接收高频头。卫星接收天线的技术指标的高低对整个系统的接收效果产生决定性的影响。无线电通信用的天线种类繁多,分类出各不相同，通常按照天线的几何形状把天线分为线天线与面天线两大类。线天线是由导线组成,导线的长度比导线的截面积大得多。其工作原理是利用空中电磁波能在与其电场方向相切的导线上感应出最大高频电流这一机理来构成的线天线，一般用在长波、中波和短波等工作频率比较低的波段上。面天线则是由整块金属板或金属网组成的。其工作原理则是利用高频无线电波的似光传播特性来构成的，通过增大面天线的面积,来提高所截获电磁波的能量。面天线一般用在超短波、微波和毫米波等频率较高的波段。卫星的特点是工作频率高，地面接收信号十分微弱，要求接收天线有很高的增益,因此,使用普通的线天线将无法接收到足够强度的信号,必须采用面天线。面天线一般由反射面、馈源和支架等部分组成。馈源一般采用各种形式的渐变波导段来构成。若按照天线工作原理的不同,又可分为普通抛物面天线、塞格伦天线和平面天线等多种。天线类型很多,抛物面天线是由初级辐射器或称馈源和抛物面反射器组成,通常把馈源的相位中心置于抛物面的焦点上,馈源与波导馈线相连接,它的作用是利用几何光学原理将与抛物面轴线平行的电波射线经一次(前馈式)或多次反射(后馈式)后中到焦点上,而偏轴入射的电磁波,不能集中到焦点上,所以卫星天线有极强的方向性和很的增益；通常传统应答器的天线由铜管制成，人工或机械加工而成，每套天线包括27MHz、4.23MHz两环天线。在生产中由于天线加工带来的离散性带来了应答器产品参数调试时的复杂度，调整参数是一项难度极大的工作任务。在规模化生产中这项工作对人工的要求高、生产速度慢。《电讯技术》2002年底6期，p89～p91，给出了一种图5所示的单锥天线与GPS天线组合设计的方法。这种组合设计虽然在当时解决了单锥天线和GPS天线组合的问题，但随着卫星导技术的不断发展和平台对天线要求的不断提高，单锥天线无法满足平台现有的需求。单锥天线的不足之处在于，单锥导航天线仅支持GPS功能，由于结构、电性能等方面的原因，单锥天线锥底部与地板的连接处接触面积太小，结构不够牢固。由于现有技术单锥天线的高度无法满足现有平台整体性能的提升要求进一步降低天线剖面高度的安装要求，需要进一步减小高度尺寸。
随着我国北斗卫星导航系统技术的成熟，以及多星座联合技术的发展，平台系统要求天线同时具备北斗/GPS/GLONASS三种系统导航功能、北斗短报文收发功能及全向通信应答功能。因此有必要对原有的GPS导航单锥组合天线进行升级。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种结构紧凑，具有更小高度，更牢固的结构，抗干扰能力强，可移植性高，并且兼容北斗/GPS/GLONASS导航功能、北斗短报文收发和全向通信应答功能的组合天线。
本发明上述目的可以通过以下措施来达到：一种兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，包括：由周向立柱固联的座盘5，垂直固联在所述座盘5盘面中心的屏蔽筒7和装配在所述屏蔽筒的导航系统天线1，围绕所述屏蔽筒圆阵分布的应答天线，其特征在于：导航系统天线1固定在无上盖板的屏蔽筒7与座盘5盘面组合成的圆柱腔体内，导航系统天线1包含顺次相连的多层微带天线1和放大电路模块8，应答天线2由垂直固联在所述座盘5盘面上围绕所述屏蔽筒圆阵分布立板6及其固定其上的折叠振子2和其下座盘5底板隔层装配的功分器4构成，功分器4将信号进行分路实现功率分配，并通过底板隔层对折叠振子2进行馈电；放大电路模块8对来自于上述应答天线2的各路射频信号分别进行滤波放大，通过再由放大电路模块8里的天线多工器合路后输出卫星导航天线的射频信号。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
结构紧凑，具有更小高度。本发明采用由周向立柱固联的座盘5，垂直固联在所述座盘5盘面中心的屏蔽筒7和装配在所述屏蔽筒的导航系统天线1，围绕所述屏蔽筒圆阵分布的应答天线构成的应答组合天线，将导航系统天线固定在无上盖板的屏蔽筒7与座盘5盘面组合成的圆柱腔体内，利用叠层技术进一步减小高度尺寸，降低应答天线高度，结构更加紧凑牢固，克服了单锥天线锥底部与地板的连接处接触面积太小，结构不够牢固缺陷。采用由垂直固联在所述座盘5盘面上围绕所述屏蔽筒圆阵分布立板6及其固定其上的折叠振子2和其下座盘5底板隔层装配的功分器4构成的应答天线2，连接简单可靠，可靠性更高，分离单极子天线实现整体高度尺寸降低，便于在平台上安装，导应答天线与卫星导航天线分离，整个组合天线无特殊的焊接工艺等，在新增功能的情况下天线的剖面高度更低，解决了现有单锥天线技术结构尺寸和强度达不到使用环境要求的问题。
抗干扰能力强。本发明采用包含了用于接收的北斗B3/B1/S频点、GPS L1频点、GLONASS L1频点信号以及用于发射的北斗L频点导航系统天线，兼顾北斗/GPS/GLONASS三种系统导航功能。通过导航系统天线组合叠层的应答天线，增强了卫星导航系统天线抗干扰能力，适用于更恶劣的电磁环境。利用新增北斗短报文收发功能，同时实现导航卫星信号的接收以及北斗短报文的发射和应答信号，不仅覆盖范围大、通信距离远、质量高，而且拓展了卫星导航系统天线的工作频带。
全向应答通信性能好。应答天线采用分布式单点馈电的折叠单极子作为辐射体，不仅在结构上实现紧凑、高度低，在不圆度及增益方面也有很大的提升，全向应答通信的覆盖范围更广。
可移植性高。本发明采用折叠单极子应答天线与卫星导航天线系统分离，功能互不影响，通信方式灵活，可根据不同的应用平台要求来更换卫星天线或应答天线能满足多平台应用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明兼容全向通信和卫星导航的组合天线的三维示意图。
图2是图1的剖面图。
图3是图1功分器俯视图。
图4是图2放大电路模块的电路原理示意图。
图5是现有技术给出的组合天线结构图。
图中：1导航系统天线，2应答天线，3底板，4一分四功分器，5座盘，6立板,7屏蔽筒，8放大电路模块，9固连螺钉，10SMA接头应答天线，11SMA接头导航天线。
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式
参阅图1-图5。在以下描述的优选实施例中，一种兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，包括：由周向立柱固联的座盘5，垂直固联在所述座盘5盘面中心的屏蔽筒7和装配在所述屏蔽筒的导航系统天线1，围绕所述屏蔽筒圆阵分布的应答天线，其中：导航系统天线1固定在无上盖板的屏蔽筒7与座盘5盘面组合成的圆柱腔体内，导航系统天线包含顺次相连的多层微带天线1和放大电路模块8，应答天线2由垂直固联在所述座盘5盘面上围绕所述屏蔽筒圆阵分布立板6及其固定其上的折叠振子2和其下座盘5底板隔层装配的功分器4构成，功分器4将信号进行分路实现信号分配，并通过底板隔层对折叠振子进行馈电；放大电路模块8对来自于上述多层微带天线1的各路射频信号分别进行滤波放大，再由放大电路模块8内置的多工器将多路信号能量合成一路后输出卫星导航天线的射频信号。
应答天线2包括：金属片变形斜面折叠包裹立板6并用螺钉将它们固定在一起而成的折叠振子2，折叠振子2在座盘5盘面上呈圆阵对称分布，形成分布式点馈电的折叠单极子天线辐射体。4块折叠振子2与立板6之间通过螺钉固定，同时用螺钉将立板6固定在底板3上面。立板6可以采用强度较高的聚苯硫醚PPS并在圆形的底板3上呈圆环对称分布，同时每个立板6用螺钉9将其固定在底板3上。
导航系统天线1则固定在由屏蔽筒7与底板3组合成无上盖板的圆柱腔体内，整体位于4块折叠振子的中心。屏蔽筒7由螺钉固定在底板上，导航系统天线1包含平面面积逐次增大，顺次相连的多层微带天线1和放大电路模块8，固定在由屏蔽筒7与底板3组合成无上盖板的圆柱腔体内，导航系统天线1采用叠层技术的多层微带天线，一共有四层微带天线，第一层微带天线为工作于S频段的单点馈电的右旋圆极化微带贴片，贴片上制有使馈电点在贴片的中心区域的U型槽，再通过位于馈电点处的探针穿过金属化过孔与下面的放大电路模块8的另一输入口连接；第二层微带天线为单点馈电的覆盖L发射频段的左旋圆极化微带矩形贴片，通过位于馈电点处的探针穿过金属化过孔与放大电路模块8的输入口连接；第三层微带天线为双馈的频率覆盖北斗B1/GPS/GLONASS频段的右旋圆极化微带贴片天线；第四层微带天线为覆盖B3频段的双馈右旋圆极化微带贴片天线。第四层微带天线下面有威尔金森功分器，为第三、四层微带天线分别提供馈网的馈电网络层，馈电网络层通过放大电路模块8对来自于上述多层微带天线的各路射频信号分别进行放大滤波，再由模块里的多工器合路后输出整个卫星导航天线的射频信号。
参阅图3。功分器4采用低损耗、高导热率的TACONICRF-35TaconicRF-35TC射频板作为衬底，在十字交联的射频板的四个垂直分支上分布的悬置微带线组成一分四功分器，并固定在底板的下面，同时利用穿过座盘5上的底板3与底盘5隔层空气腔的悬置微带线连接折叠振子2，以有利于大功率抗烧毁，再用螺钉9将其固定在底板3下面。功分器4的4路分支馈电端口穿过底板3上的引孔，从底板下面引出，连接到4个折叠振子2，对4块折叠振子2进行馈电，合路端输出应答天线2的总输出接口10。并用螺钉9将其与底板3固定在一起。功分器4的4个馈电端口穿过底板上的小孔对4块折叠振子2进行馈电。
参阅图4。放大电路模块包括多频天线连接的B1/GPS/GLONASS频段、B3频段S、频段B1及频段L的天线单元及其连接在所述天线单元与天线多工器之间的放大器、天线电源及控制单元；B1、B3、S三个天线单元的输出接口分别经过并行的B1/GPS/GLONASS频点低噪声放大器、B1LNA、B3频点低噪声放大器B3LNA和S频点低噪声放大器SLNA共同连接天线多工器，另一路天线多工器通过L频点功率放大器LPA相连L天线单元。B1、B3、S三个天线单元将接收到的射频信号送至放大电路模块进行滤波和B1/GPS/GLONASS频点低噪声放大器B1LNA、B3频点低噪声放大器B3LNA和S频点低噪声放大器SLNA滤波放大后，送入天线多工器合成从总输出端口输出。类似的，射频信号从输出端口进入天线多工器，经功率放大器及滤波器分别进行放大滤波后，通过L发射天线单元将射频信号辐射出去。同时，在与各天线单元相连的每路滤波器之前电连接了限幅器，用以抑制应答机天线信号功率过大的影响，增强了放大电路模块的抗干扰能力，保证了应答发射信号时放大电路不被烧毁，以及在更恶劣的电磁环境中也能安全工作。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，包括：由周向立柱固联的座盘(5)，垂直固联在所述座盘(5)盘面中心的屏蔽筒(7)和装配在所述屏蔽筒的导航系统天线(1)，围绕所述屏蔽筒圆阵分布的应答天线，其特征在于：导航系统天线(1)固定在无上盖板的屏蔽筒(7)与座盘(5)盘面组合成的圆柱腔体内，导航系统天线(1)包含顺次相连的多层微带天线(1)和放大电路模块(8)，应答天线(2)由垂直固联在所述座盘(5)盘面上围绕所述屏蔽筒圆阵分布立板(6)及其固定其上的折叠振子(2)和其下座盘(5)底板隔层装配的功分器(4)构成，功分器(4)将信号进行分路实现功率分配，通过底板隔层对折叠振子(2)进行馈电；放大电路模块(8)对来自于上述多层微带天线(1)的各路射频信号分别进行滤波放大，再由放大电路模块(8)里的天线多工器，或称异频合路器，进行合路后输出卫星导航天线的射频信号。
2.如权利要求1所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：应答天线(2)包括：金属片变形斜面折叠包裹立板(6)并用螺钉将它们固定在一起而成的折叠振子(2)，折叠振子(2)在座盘(5)盘面上呈圆阵对称分布，形成分布式单点馈电的折叠单极子天线辐射体。
3.如权利要求2所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：4块折叠振子(2)与立板(6)之间通过螺钉固定，同时用螺钉将立板(6)固定在底板(3)上面。
4.如权利要求3所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：立板(6)在圆形的底板(3)上呈圆环对称分布，同时每个立板(6)用螺钉(9)将其固定在底板(3)上。
5.如权利要求1所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：导航系统天线(1)固定在由屏蔽筒(7)与底板(3)组合成无上盖板的圆柱腔体内，整体位于4块折叠振子的中心。
6.如权利要求1所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：导航系统天线包含平面面积逐次增大，顺次相连的多层微带天线和放大电路模块(8)，固定在由屏蔽筒(7)与底板(3)组合成无上盖板的圆柱腔体内，并采用叠层技术的多层微带天线，有四层微带天线，第一层微带天线为工作于S频段的单点馈电的右旋圆极化微带贴片，贴片上制有使馈电点在贴片的中心区域的U型槽，再通过位于馈电点处的探针穿过金属化过孔与下面的放大电路模块(8)的另一输入口连接；第二层微带天线为单点馈电的覆盖L发射频段的左旋圆极化微带矩形贴片，通过位于馈电点处的探针穿过金属化过孔与放大电路模块(8)的输入口连接；第三层微带天线为双馈的频率覆盖北斗B1/GPS/GLONASS频段的右旋圆极化微带贴片天线；第四层微带天线为覆盖B3频段的双馈右旋圆极化微带贴片天线。
7.如权利要求6所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：第四层微带天线下面有威尔金森功分器为第三、四层微带天线分别提供馈网的馈电网络层，馈电网络层下面的放大电路模块(8)对来自于上述多层微带天线的各路射频信号分别进行滤波放大，再由模块里的天线多工器合路后输出整个卫星导航天线的射频信号。
8.如权利要求1所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：功分器(4)采用低损耗、高导热率的TaconicRF-35TC印制板作为衬底，在十字交联的射频板的四个垂直分支上分布的悬置微带线组成一分四的功分器，并固定在底板的下面，同时利用穿过座盘(5)上的底板(3)与底盘(5)隔层空气腔的悬置微带线连接折叠振子(2)，用螺钉(9)将其固定在底板(3)下面；功分器(4)的4路分支馈电端口穿过底板(3)上的引孔，从底板下面引出，连接到4个折叠振子(2)，对4块折叠振子(2)进行馈电，合路端输出应答天线(2)的总输出接口(10)。
9.如权利要求1所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：放大电路模块包括多频天线连接的B1/GPS/GLONASS频段、B3频段、S频段、B1及频段L的天线单元及其连接在所述天线单元与天线多工器之间的连接的低噪声放大器和功率放大器，以及分别连接天线多工器的天线电源及控制单元；B1、B3、S三个天线单元的输出接口分别经过并行B1/GPS/GLONASS频点低噪声放大器B1LNA、B3频点低噪声放大器B3LNA和S频点低噪声放大器SLNA共同连接天线多工器；另一路天线多工器通过天线电源及控制单元再连接功率放大器LPA，最终组成了与各天线单元及天线总输出端口相连的有源放大网络。
10.如权利要求9所述的兼容全向通信和卫星导航的应答组合天线，其特征在于：B1、B3、S三个天线单元将接收到的射频信号送至放大电路模块进行滤波和B1/GPS/GLONASS频点低噪声放大器B1LNA、B3频点低噪声放大器B3LNA和S频点低噪声放大器SLNA放大后，送入天线多工器合成从总端口输出；类似的，射频信号从输出端口进入天线多工器，经功率放大器及滤波器分别进行放大滤波后，通过L发射天线单元将射频信号辐射出去；同时，在与天线输出接口相连的每路滤波器之前电连接了限幅器。
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