CN113131175A - 一种多频段圆极化的gnss定位天线 - Google Patents

一种多频段圆极化的gnss定位天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多频段圆极化的GNSS定位天线，所述天线包括：扼流圈和介质板；所述扼流圈包括扼流圈主体(3)和扼流圈底座(5)；所述扼流圈主体(3)采用一体化的三层筒状结构；所述扼流圈底座(5)为圆形，固定在内筒壁上；所述介质板固定在扼流圈主体外筒上表面；在所述介质板和扼流圈内筒间设置竖直方向同轴线(11)；介质板的上表面连接同轴线(11)内心，介质板的下表面连接同轴线(11)外皮以产生180°相位差；在所述介质板上印制辐射贴片(2)，所述辐射贴片(2)由十字交叉振子和圆环共同组成磁电偶极子天线。本发明实现了天线在上半空间极化方式全部为右旋圆极化，即全频段3dB轴比角度大于±90°。

Description

一种多频段圆极化的GNSS定位天线
技术领域
本发明涉及导航定位天线领域，具体涉及一种多频段圆极化的GNSS定位天线。
背景技术
随着全球卫星导航系统的发展，逐渐形成了多频段GPS信号同时进行导航定位的新格局，GNSS定位天线的带宽性能要求不断提高，GNSS定位天线需采用圆极化抑制法拉第电磁旋转，理想情况下，定位天线上半空间全部为右旋圆极化，还需要稳定的相位中心以提高定位精度。目前，现有的技术虽然相位中心稳定度基本可以满足小于±1mm，少数可以满足覆盖全部导航频段，3dB轴比角度无法满足天线上半空间全部为右旋圆极化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种具有高精度和极宽角轴比的多频段圆极化GNSS定位天线。该天线包括新的辐射贴片和新的扼流圈，可以覆盖全部导航频段，且展宽了天线轴比角度，在天线上半空间的极化方式均为右旋圆极化，即全频段3dB轴比角度大于±90°，提高了天线相位中心稳定度，相位中心稳定度全频段小于±1mm。在结构上，采用塑料支架保证了辐射贴片与天线地板的平行，扼流圈底座与扼流圈主体分离，简化了安装难度。
为了实现上述目的，本发明提出了一种多频段圆极化的GNSS定位天线，所述天线包括：扼流圈和介质板；所述扼流圈包括扼流圈主体和扼流圈底座；所述扼流圈主体采用一体化的三层筒状结构，包括中空内筒、半封闭中筒和半封闭外筒，所述内筒和中筒共底面，所述中筒和外筒呈阶梯状；所述外筒的顶面高于内筒的顶面，内筒的顶面高于中筒的顶面；所述扼流圈底座为圆形，固定在内筒壁上；所述介质板固定在扼流圈主体外筒上表面；
在所述介质板和扼流圈内筒间设置竖直方向同轴线；介质板的上表面连接同轴线内心，介质板的下表面连接同轴线外皮以产生180°相位差；
在所述介质板上印制辐射贴片，所述辐射贴片由十字交叉振子和圆环共同组成磁电偶极子天线。
作为上述装置的一种改进，所述内筒内还设置：天线地板、屏蔽盒和馈电网络；
所述天线地板为圆台形状，设置在扼流圈底座上；
所述屏蔽盒设置在扼流圈底座的下方，屏蔽盒内设置馈电网络，使天线辐射右旋圆极化波，馈电网络输入端与同轴线内心连接，同轴线外皮焊接在馈电网络金属地上，馈电网络输出端通过同轴线穿过扼流圈底座连接辐射贴片。
作为上述装置的一种改进，所述介质板和天线地板中间处设置圆形的塑料支架，能够使介质板和天线地板保持平行；所述塑料支架的连接筋为圆柱形，圆周上均匀分布四个穿过连接筋的中空圆柱，供四个第二塑料支柱穿过，所述连接筋的圆心附近设置两个穿过连接筋的中空圆柱，供两个巴伦穿过，还有两个圆孔供两个同轴线穿过，所述四个第二塑料支柱和两个巴伦的一端均与辐射贴片固定，另一端均与扼流圈底座固定。
作为上述装置的一种改进，所述在辐射贴片的上表面上设置寄生片，两者通过四个第一塑料支柱进行固定。
作为上述装置的一种改进，所述十字交叉振子末端箭头部分的坐标函数为：
Figure BDA0002351520230000021
y＝b×ev×u×c
其中，u、v为参数方程的变量，a、d为约束十字交叉振子箭头部分的宽度，b、c为约束十字交叉振子箭头部分的长度。
作为上述装置的一种改进，所述辐射贴片的十字交叉振子尺寸的确定过程为：微调十字交叉振子末端箭头部分的坐标函数的参数和介质板高度，使天线谐振于所需频带内，由此确定辐射贴片的十字交叉振子尺寸。
作为上述装置的一种改进，所述辐射贴片的圆环半径为使天线各频段3dB轴比角度最大时的圆环半径。
作为上述装置的一种改进，所述扼流圈的内筒、中筒和外筒的高度和半径，是通过HFSS电磁仿真软件，根据天线波束宽度与前后比最优值确定的。
作为上述装置的一种改进，所述馈电网络的阻抗、线宽和线长的确定方法包括：
确定馈电网络的中心频率；
确定介质板的厚度和介电常数；
输入端口和输出端口阻抗均匹配至50Ω；
预设阻抗、线宽和线长的初始值，通过HFSS电磁仿真软件优化后，根据中心频率、介质板的厚度、介质板的介电常数、输入阻抗、输出阻抗和馈电点位置得出每一截微带线的线宽和线长。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、通过新型的扼流圈和新型的辐射片有效展宽了轴比角度，实现了天线在上半空间极化方式全部为右旋圆极化，即全频段3dB轴比角度大于±90°，可以覆盖全部导航频段，天线相位中心稳定度全频段小于±1mm；
2、本发明的GNSS定位天线可以覆盖全部导航频段，并且满足3dB轴比角度全频段大于±90°，即天线在天顶方向全部为右旋圆极化，天线相位中心稳定度全频段小于±1mm；
3、在结构上，采用塑料支架保证了辐射贴片与天线地板的平行，扼流圈底座与扼流圈主体分离，简化了安装难度。
附图说明
图1是本发明实施例中的多频段圆极化GNSS定位天线结构示意图；
图2是本发明实施例中的多频段圆极化GNSS定位天线结构半剖图；
图3是本发明实施例中的辐射贴片俯视图；
图4是本发明实施例中的辐射贴片部分尺寸图；
图5是本发明实施例中的扼流圈轮廓图；
图6是本发明实施例中的塑料支架示意图；
图7是本发明实施例中的馈电网络示意图；
图8是本发明实施例中的馈电网络阻抗示意图。
附图标记
1、第一塑料支柱 2、辐射贴片
3、扼流圈主体 4、支柱螺栓
5、扼流圈底座 6、屏蔽盒
7、塑料支架 8、第二塑料支柱
9、天线地板 10、寄生片
11、同轴线 12、巴伦
13、塑料支架供第二塑料支柱穿过的中空圆柱
14、塑料支架供巴伦穿过的中空圆柱
15、塑料支架供同轴线穿过的圆孔
16、微带线 17、耦合片
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
如图1和图2所示，本发明提供的一种多频段圆极化GNSS定位天线，包括：辐射贴片2、新型扼流圈3、屏蔽盒6、天线地板9、塑料支架7、巴伦12、塑料支柱、支柱螺栓4、寄生片10和馈电网络。
辐射片馈电阻抗主要受微带贴片尺寸和高度的影响，除微带贴片尺寸和高度外其余参数是基本确定的；而微带贴片尺寸和高度受谐振频率影响，也可确定，因此，根据上述参数可先确定辐射贴片的具体尺寸和高度。
该天线的辐射片采用磁电偶极子，磁偶极子电流表达式为：
对偶原理可得:Qm*L＝μ*I*S
电偶极子的电偶极矩：p＝|ε*S*Im|(磁流表示)
p＝Q*L＝|ε*S*Im|
Figure BDA0002351520230000041
Figure BDA0002351520230000042
其中，Qm表示磁荷量，Q表示电荷量，ε表示介电常数，μ表示介质磁导率，L为正负磁荷距离，Im为磁流,S为电流环面积，ω为角速度。
辐射贴片2的十字交叉振子末端箭头部分的坐标函数为：
Figure BDA0002351520230000043
y＝b×ev×u×c
其中u、v为参数方程的变量，a、d为约束十字交叉振子箭头部分的宽度，b、c为约束十字交叉振子箭头部分的长度。
辐射贴片2印制于FR4介质板上，馈电网络通过141同轴线11穿过扼流圈底座5连接辐射贴片，馈电网络使天线辐射右旋圆极化波。辐射贴片2通过尺寸和函数约束，形状特殊，可以覆盖全部导航频段，即1176.45MHz、1191.79MHz、1202MHz、1207.14MHz、1227.6MHz、1248MHz、1268.52MHz、1278.75MHz、1381.05MHz、1561.098MHz、1575.42MHz、1589.742MHz和1602MHz。
辐射贴片2如图3所示，其设计过程为：
天线工作时，在圆环上产生感应电流，圆环上电流产生的辐射场等效于磁流辐射，根据对偶原理此处的电流环的辐射场与主辐射片辐射的远场叠加后可以展宽波束宽度和轴比角度，原理和电流元与磁流源同时辐射时，辐射场只向单边辐射类似，只是磁流源位置发生变化。十字交叉振子天线由四个类似箭头的贴片、四个不规则的六角形和耦合片17共同组成，其中不规则的六角形直接与同轴线连接，四个类似箭头的贴片与耦合片17耦合馈电。通过微调十字交叉振子箭头部分的函数参数和介质板高度，使得天线谐振于所需频带内。耦合片17和圆环不影响天线谐振频率，但显著影响天线轴比，当天线各频段3dB轴比角度最大时即可确定圆环半径。
扼流圈可以有效提升波束宽度，展宽3dB轴比角度。在结构上采用了底座5与扼流圈主体3可分离设计，简化了安装难度。扼流圈主要影响增益、波宽和前后比，折中选取扼流圈层数为3层，如图5所示为扼流圈的轮廓图和尺寸。扼流圈的内筒、中筒和外筒的高度和半径，是通过HFSS电磁仿真软件，根据天线波束宽度与前后比最优值确定的。
屏蔽盒6通过螺钉固定在扼流圈底座5的搭台上。
天线地板9设计为圆台结构，通过螺钉固定在扼流圈底座5；寄生片10通过第一塑料支柱1固定在辐射贴片上2。
塑料支架7示意图如图6所示，连接筋为圆柱形，圆周上均匀分布四个穿过连接筋的中空圆柱，为塑料支架供第二塑料支柱穿过的中空圆柱13，供四个第二塑料支柱8穿过，连接筋的圆心附近设置两个穿过连接筋的中空圆柱，为塑料支架供巴伦穿过的中空圆柱14，供两个巴伦12穿过，还有两个圆孔，为塑料支架供同轴线穿过的圆孔15，供两个同轴线11穿过，四个第二塑料支柱8和两个巴伦12的一端均与辐射贴片2固定，另一端均与扼流圈底座5固定。
馈电网络示意图如图7所示，输入信号经过威尔金斯功分器后，分成两路幅度相等相位相等的输出信号，分别经过90°相位比较器后，经过延迟，输出两路幅度相等，相位差为90°的信号。馈电网络的中心频率定在1.4GHz，被设计在厚度为0.762mm，介电常数3.55的介质板RO4003上。输入端口和输出端口的阻抗均匹配至50Ω，经过微带线计算器和全波分析软件分析计算后，得到阻抗值、线宽和线长。
如图8所示，在本实施例中，馈电网络各阻抗值、线宽和线长为：
λg＝128.15mm
Z1＝70.71Ω， 微带线线宽0.93mm；
Z2＝63Ω, 微带线线宽1.15mm；
Z3＝81Ω, 微带线线宽0.7mm；
Z4＝50Ω， 微带线线宽1.7mm。
将以上值设为初始值，通过HFSS电磁仿真软件优化后，根据指标要求和馈电点位置得出每一截微带线的线宽和线长。
辐射贴片介质板的介电常数为4.4。扼流圈，屏蔽盒为牌号为2A12的铝合金，寄生片和巴伦为牌号为H62的黄铜。
馈电网络的介质板是RO4003，介电常数为3.55。馈电网络通过螺钉固定在屏蔽盒里面，屏蔽盒和扼流圈之间可用螺钉固定，起结构支撑作用。
辐射片、馈电网络和扼流圈之间的电连接关系为：辐射贴片位于介质板上下两个表面，其中只有十字交叉振子的两条微带线16位于介质板上表面，其余的全部分布于下表面。上表面的微带线连接141同轴线内心，下表面连接141同轴线外皮以产生180°相位差，馈电网络连接同轴线内心，同轴线外皮焊接在馈电网络金属地上，利用馈电网络通过移相器产生90°相差和两根同轴线一起实现0°、90°、180°和270°相差，实现天线的圆极化工作。馈电网络置于扼流圈中心，为了防止器件干涉，输入端与同轴线内心连接，同轴线外皮通过金属化过孔和馈电网络的地连接，同轴线上接SMA-kf-1.5，法兰盘固定在屏蔽盒盖板上。
上述天线为宽带天线，因此辐射片结构使用自然函数约束，阻抗变化连续，其同轴线的位置是根据辐射贴片的阻抗来确定的，天线阻抗与50Ω同轴线匹配，减小驻波比，有效展宽了工作带宽。可以覆盖全部导航频段，实现了现有的各大导航系统的兼容。
辐射贴片中的圆环等效于磁流辐射，根据对偶原理，此处的电流环的辐射场在远场十字交叉振子辐射的远场叠加后可以展宽波束宽度和轴比角度。
新型扼流圈不同于以往市面上的扼流圈，三层结构，抑制后向散射，可以有效减小表面波辐射，增加轴比带宽和轴比角度，将主体和底座分开设计，有效简化了安装难度。
增加了塑料支架，减小了加工和安装难度，提高了辐射贴片与天线地板的平行度。巴伦采用上粗下细的结构，使用塑料螺栓固定在辐射贴片上，避免了焊接带来的误差。
通过上述设计得出GNSS定位天线。可以覆盖全部导航频段，实现了现有的各大导航系统的兼容、高精度和极宽角轴比的GNSS定位天线。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述天线包括：扼流圈和介质板；所述扼流圈包括扼流圈主体(3)和扼流圈底座(5)；所述扼流圈主体(3)采用一体化的三层筒状结构，包括中空内筒、半封闭中筒和半封闭外筒，所述内筒和中筒共底面，所述中筒和外筒呈阶梯状；所述外筒的顶面高于内筒的顶面，内筒的顶面高于中筒的顶面；所述扼流圈底座(5)为圆形，固定在内筒壁上；所述介质板固定在扼流圈主体外筒上表面；
在所述介质板和扼流圈内筒间设置竖直方向同轴线(11)；介质板的上表面连接同轴线(11)内心，介质板的下表面连接同轴线(11)外皮以产生180°相位差；
在所述介质板上印制辐射贴片(2)，所述辐射贴片(2)由十字交叉振子和圆环共同组成磁电偶极子天线。
2.根据权利要求1所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述内筒内还设置：天线地板(9)、屏蔽盒(6)和馈电网络；
所述天线地板(9)为圆台形状，设置在扼流圈底座(5)上；
所述屏蔽盒(6)设置在扼流圈底座(5)的下方，屏蔽盒(6)内设置馈电网络，使天线辐射右旋圆极化波，馈电网络输入端与同轴线(11)内心连接，同轴线(11)外皮焊接在馈电网络金属地上，馈电网络输出端通过同轴线(11)穿过扼流圈底座(5)连接辐射贴片(2)。
3.根据权利要求2所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述介质板和天线地板(9)中间处设置圆形的塑料支架(7)，能够使介质板和天线地板(9)保持平行；所述塑料支架(7)的连接筋为圆柱形，圆周上均匀分布四个穿过连接筋的中空圆柱，供四个第二塑料支柱(8)穿过，所述连接筋的圆心附近设置两个穿过连接筋的中空圆柱，供两个巴伦(12)穿过，还有两个圆孔供两个同轴线(11)穿过，所述四个第二塑料支柱(8)和两个巴伦(12)的一端均与辐射贴片(2)固定，另一端均与扼流圈底座(5)固定。
4.根据权利要求3所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述在辐射贴片(2)的上表面上设置寄生片(10)，两者通过四个第一塑料支柱(1)进行固定。
5.根据权利要求1所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述十字交叉振子末端箭头部分的坐标函数为：
Figure FDA0002351520220000021
y＝b×ev×u×c
其中，u、v为参数方程的变量，a、d为约束十字交叉振子箭头部分的宽度，b、c为约束十字交叉振子箭头部分的长度。
6.根据权利要求5所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述辐射贴片的十字交叉振子尺寸的确定过程为：微调十字交叉振子末端箭头部分的坐标函数的参数和介质板高度，使天线谐振于所需频带内，由此确定辐射贴片的十字交叉振子尺寸。
7.根据权利要求6所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述辐射贴片的圆环半径为使天线各频段3dB轴比角度最大时的圆环半径。
8.根据权利要求1所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述扼流圈的内筒、中筒和外筒的高度和半径，是通过HFSS电磁仿真软件，根据天线波束宽度与前后比最优值确定的。
9.根据权利要求2所述的多频段圆极化的GNSS定位天线，其特征在于，所述馈电网络的阻抗、线宽和线长的确定方法包括：
确定馈电网络的中心频率；
确定介质板的厚度和介电常数；
输入端口和输出端口阻抗均匹配至50Ω；
预设阻抗、线宽和线长的初始值，通过HFSS电磁仿真软件优化后，根据中心频率、介质板的厚度、介质板的介电常数、输入阻抗、输出阻抗和馈电点位置得出每一截微带线的线宽和线长。
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