CN111864359A - 全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线，其包括天线罩(1)、辐射单元(2)、介质板(3)、天线腔体(4)和馈电结构(5)。辐射单元采用四臂平面阿基米德螺旋线，且印制在介质板的上表面；天线腔体包括扼流圈(41)和背腔(42)，两者上下连接；馈电结构包括工字支撑结构(51)和宽带移相网络(52)，该工字支撑结构的下部固定在背腔的上方，上部与介质板连接，且内部设有四条铜线(53)；该宽带移相网络置于背腔内部，且设有四个输出端口，分别与工字支撑结构内部的四条铜线对应连接。本发明提高了相位中心稳定度和收发隔离度，减小了交叉极化、降低了圆极化轴比，实现了方向图对称，可用于全球卫星导航系统。

Description

全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种四馈平面螺旋天线，可用于全球卫星导航系统。
背景技术
全球卫星导航系统GNSS是指在全球范围提供定位、导航、授时服务的卫星导航系统总称，中国的北斗卫星导航系统包含其中。在卫星导航以及卫星通信系统中，圆极化天线由于具有抗多径干扰、高通信容量、抗雨雾干扰的优点被广泛应用。天线的波束特性决定着定位的精确性以及通信的覆盖范围，因此，天线必须具备与之相适应的宽波束以及高低仰角增益特性。另一方面，越来越多满足不同需要的电子设备需集中在同一载体上，不同的天线之间会产生很强的近场耦合，会严重干扰各个收发电台的正常工作。为此需要采用宽带天线以减少天线的数量，降低天线相互间的干扰。但是，由于卫星导航系统中频段的多样性以及极化方式的不同，不可能同时复合在一副天线上，需采用多个宽带天线实现不同的极化与频段的覆盖。这样就会在空间局限的实际情况下，需要用多个宽带天线一起进行工作，由此又造成应用平台上的电磁环境复杂化，对天线乃至其整个系统的正常工作带来的压力，且增加了天线间的相互干扰。同时在发射与接收天线工作在相同频率下时，由于两者之间存在较强的相互耦合，使得发射天线与接受天线隔离度较低，同频干扰现象会尤为严重。此外由于天线架设位置的影响，易产生方向图不对称现象，甚至发生凹陷。
在全球卫星导航系统GNSS中，对于接收天线来说，需要满足宽频带、宽波束、宽角轴比、高相位中心稳定度、低仰角高增益的辐射特性。而传统的平面螺旋天线，因其天线结构为自补结构，所以输入阻抗大，其需要设计特殊的巴伦馈电结构来解决此问题，这样不仅增加了天线的设计复杂度及难度，而且相位中心极其不稳定。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线，以减小交叉极化和天线架设位置对方向图对称性的影响，降低圆极化轴比，提高收发天线隔离度，增强相位中心的稳定度。
本发明的技术方案是这样实现的：
1、一种全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线，包括天线罩1、辐射单元2、介质板3、天线腔体4和馈电结构5，其特征在于：
所述辐射单元2，采用四臂平面阿基米德螺旋线21，且印制在介质板的3的上表面，每个单臂的末端加载有电阻22，并通过金属化过孔23，焊接在介质板3的下表面；
所述天线腔体4，包括扼流圈41和背腔42，该扼流圈41设为高度不同的N层，其与背腔42相连接，且位于与辐射单元2的同侧，10≥N≥3；
所述馈电结构5，包括“工”字支撑结构51和宽带移相网络52，该“工”字支撑结构51的下部固定在背腔42的上方，上部与介质板3连接，且内部设有四条铜线53；
该宽带移相网络52置于背腔42的内部，其由功分移相器521和网络介质板522构成，功分移相器521印制在网络介质板522的下表面，且设有0°、90°180°、270°四个输出端口，这四个输出端口分别与“工”字支撑结构51内部的四条铜线53对应连接。
进一步，所述“工”字支撑结构51由支撑柱511、介质块512和金属耦合盘513构成，该金属耦合盘513固定在支撑柱511上方，介质块512放置于金属耦合盘513上，以实现辐射单元与网络的有效匹配。
进一步，所述功分移相器521由三个威尔金森功分器5211、一个180°宽带移相器5212和两个90°宽带移相器5213依次连接构成。
进一步，所述扼流圈41的第一圈内部设有固定天线罩1的第一螺位孔411和固定介质板3的第二螺位孔412。
进一步，所述背腔42的中心设有安装底座421，用于固定“工”字支撑结构中的支撑柱511。
进一步，所述天线罩1固定在扼流圈内的第一螺位孔411上，其采用相对介电常数为4.4的FR4材料，直径为120mm～170mm，厚度为1mm～4mm。
进一步，所述介质板3采用相对介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为0.508mm～1.27mm，固定在扼流圈内的第二螺位孔412上，且中部与“工”字支撑结构中的介质块512相连接。
进一步，所述介质板3与天线罩1之间距离为2mm～5mm。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，本发明由于辐射单元采用了四臂平面阿基米德螺旋线，实现了高相位中心稳定度，且天线末端加载电阻，减少了反射电流，从而减小了交叉极化、降低了圆极化轴比。
第二，本发明的天线腔体由于采用扼流圈结构，实现了与其他同频段天线的高隔离度，且降低了架设位置对方向图的影响，解决了方向图的不对称问题。
第三，本发明的馈电结构中由于采用了“工”字支撑结构，可通过调节四臂平面螺旋天线的阻抗，实现辐射单元与馈电网络的有效匹配，从而减小了天线驻波比，提高了天线效率；同时由于馈电结构中由于采用了宽带移相网络，展宽了天线的阻抗带宽，实现了天线的宽带技术。
第四，本发明由于设计了天线罩，可有效的防止辐射单元和介质板的磨损、腐蚀和老化，增加了天线使用寿命，提高了工作可靠性。
附图说明
图1是本发明的整体结构剖面视图；
图2是本发明中的辐射单元和馈电结构的爆炸图；
图3馈电结构中的宽带移相网络结构图；
图4是本发明中的天线腔体结构图；
图5是本发明天线的电压驻波比曲线图；
图6是本发明天线在不同频点处的俯仰面方向图；
图7是本发明天线在不同频点处的方位面方向图；
图8是本发明天线在不同频点处的轴比图；
图9是本发明天线在不同频点处的相位中心稳定度图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。
参照图1，本实例包括天线罩1、辐射单元2、介质板3、天线腔体4和馈电结构5；天线罩1架设于辐射单元2上方2mm～5mm处，辐射单元2印制在介质板3上表面，介质板3位于馈电结构5的上部，并置于天线腔体内。该天线罩1采用相对介电常数为4.4的FR4材料，直径为120mm～170mm，厚度为1mm～4mm；该介质板3采用相对介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为0.508mm～1.27mm，
本实例取但不限于天线罩1的直径145mm，厚度1mm；介质板3的厚度0.762mm；天线罩1架设于辐射单元2上方2mm处。
参照图2，本实施例所述天线腔体所述天线腔体4，包括扼流圈41和背腔42，该扼流圈41设为高度不同的N层，其与背腔42相连接，且位于与辐射单元2的同侧，10≥N≥3，本实例取但不限于N＝6。该扼流圈41的第一圈内部设有第一螺位孔411和第二螺位孔412，天线罩1固定在第一螺位孔411上，介质板3固定在第二螺位孔412上，背腔42的中心设有安装底座。
参照图3和图4，所述的辐射单元2采用四臂平面阿基米德螺旋线21，且印制在介质板3的上表面，每个单臂的末端加载有电阻22，电阻22两端设有金属化过孔23，电阻22通过金属化过孔23焊接在介质板3的下表面。
所述的馈电结构5，包括“工”字支撑结构51、宽带移相网络52和四条铜线53。该“工”字支撑结构51固定在安装底座421上，其由支撑柱511、介质块512和金属耦合盘513构成，其中介质块512放置在金属耦合盘513的上方，并与介质板3相连接，金属耦合盘513固定在支撑柱511的上方，四条铜线53位于“工”字支撑结构51的内部。该宽带移相网络52置于背腔42的内部，其由功分移相器521和网络介质板522构成，功分移相器521由三个威尔金森功分器5211、一个180°宽带移相器5212和两个90°宽带移相器5213依次连接构成，且印制在网络介质板522的下表面，两个90°宽带移相器5213的终端设有0°、90°180°、270°四个输出端口，这四个输出端口分别与“工”字支撑结构51内部的四条铜线53对应连接。
本发明的天线性能可以通过仿真结果做进一步描述。
1、仿真条件
电磁仿真使用的软件为Ansoft旗下的HFSS软件。
2、仿真内容
仿真1，利用上述软件对本实施例天线的电压驻波比进行仿真，结果如图5所示。从图5可见，在所需频段内天线的电压驻波比均小于1.5，表明本发明通过改进的馈电结构实现了良好的阻抗匹配特性，体现了天线的宽带特性。
仿真2，利用上述软件仿真本实施例天线在不同的频点的俯仰面方向图，结果如图6所示，其中：
图6(a)为天线在1176MHz频点的方向图；
图6(b)为天线在1268MHz频点的方向图；
图6(c)为天线在1575MHz频点的方向图。
从图6可见，该天线在±60°的增益均大于0dBic，在±75°的增益均大于-4dBic，表明本发明实现了高低仰角辐射增益。
仿真3，利用上述软件仿真本实施例天线在不同的频点的方位面方向图，结果如图7所示，其中：
图7(a)为天线在1176MHz频点的方向图；
图7(b)为天线在1268MHz频点的方向图；
图7(c)为天线在1575MHz频点的方向图。
从图7可见，天线在theta等于60°和70°的方位面上，方向图的不圆度均小于1dB，表明本发明通过扼流圈的使用有效地改善了方向图的对称性。
仿真4，利用上述软件仿真本实施例天线在不同的频点的轴比，结果如图8所示，其中：
图8(a)为天线在1176MHz频点的轴比；
图8(b)为天线在1268MHz频点的轴比；
图8(c)为天线在1575MHz频点的轴比。
从图8可见，该天线在±75°的范围内，轴比良好，均小于3dB，表明本发明扼流圈的使用有效地降低了交叉极化，改善了轴比。
仿真5，利用上述软件对本实施例天线的相位中心稳定度进行仿真，结果如图9所示。从图9可见，在所需频带范围内，相位中心的稳定度均小于2mm，体现出本发明这种四馈平面螺旋天线的高稳相心特性。
以上描述仅是本发明的一个具体事例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全球卫星导航系统中的四馈平面螺旋天线，包括天线罩(1)、辐射单元(2)、介质板(3)、天线腔体(4)和馈电结构(5)，其特征在于：
所述辐射单元(2)，采用四臂平面阿基米德螺旋线(21)，且印制在介质板(3)的上表面，每个单臂的末端加载有电阻(22)，并通过金属化过孔(23)，焊接在介质板(3)的下表面；
所述天线腔体(4)，包括扼流圈(41)和背腔(42)，该扼流圈(41)设为高度不同的N层，其与背腔(42)相连接，且位于与辐射单元(2)的同侧，10≥N≥3；
所述馈电结构(5)，包括“工”字支撑结构(51)和宽带移相网络(52)，该“工”字支撑结构(51)的下部固定在背腔(42)的上方，上部与介质板(3)连接，且内部设有四条铜线(53)；
该宽带移相网络(52)置于背腔(42)的内部，其由功分移相器(521)和网络介质板(522)构成，功分移相器(521)印制在网络介质板(522)的下表面，且设有0°、90°180°、270°四个输出端口，这四个输出端口分别与“工”字支撑结构(51)内部的四条铜线(53)对应连接。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：“工”字支撑结构(51)由支撑柱(511)、介质块(512)和金属耦合盘(513)构成，该金属耦合盘(513)固定在支撑柱(511)上方，介质块(512)放置于金属耦合盘(513)上，以实现辐射单元与网络的有效匹配。
3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：功分移相器(521)由三个威尔金森功分器(5211)、一个180°宽带移相器(5212)和两个90°宽带移相器(5213)依次连接构成。
4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，扼流圈(41)的第一圈内部设有固定天线罩(1)的第一螺位孔(411)和固定介质板(3)的第二螺位孔(412)。
5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，背腔(42)的中心设有安装底座(421)，用于固定“工”字支撑结构(51)中的支撑柱(511)。
6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，天线罩(1)固定在扼流圈内的第一螺位孔(411)上，其采用相对介电常数为4.4的FR4材料，直径为120mm～170mm，厚度为1mm～4mm。
7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，介质板(3)采用相对介电常数为2.65的F4B材料，其厚度为0.508mm～1.27mm，固定在扼流圈内的第二螺位孔(412)上，且中部与“工”字支撑结构(51)中的介质块(512)相连接。
8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，介质板(3)与天线罩(1)之间距离为2mm～5mm。
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