CN113178699A - 一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线，该异频去耦收发天线包括：自上而下依次设置的第一辐射单元和第二辐射单元、馈电单元、第一开路枝节和第二开路枝节。如此设置，可以保证接收和发射不同频率的信号，且互不影响。同时，第一开路枝节适于滤除第二辐射单元工作频段附近的信号，第二开路枝节适于滤除第一辐射单元工作频段附近的信号，从而可以减弱两个频率之间的互相耦合，由此实现异频去耦收发天线中收发频段之间互不干扰的高隔离度的效果。并且，通过设置第一开路枝节和第二开路枝节，可以减少耦合器以及加工焊接的使用，从而降低了成本与加工难度。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线。
背景技术
随着通讯技术的进步，全球卫星定位与通信系统已广泛应用在各个领域。目前，北斗一代卫星导航系统工作于两个频段，北斗天线作为系统的重要组成部分，其性能优劣直接关乎整个系统的质量，其中L频段的天线以左旋圆极化的方式工作，S频段的天线以右旋圆极化的方式工作。并且，北斗一代定位天线的收发频率和工作模式都已固定，并且大多都是采用同频耦合的工作方式。
例如，现有技术中存在一种双频圆极化微带北斗定位天线，该定位天线包括：同轴馈电探针、下层基板和上层基板，下层基板的底面设置有金属接地层，下层基板的顶面设置有下层微带贴片，上层基板的顶面设置有上层微带贴片，下层微带贴片上设置有馈电孔，同轴探针给上层微带贴片馈电。
但是，该定位天线的接收发射两个频段之间隔离度较低，耦合度较高，如此会使得天线在收发过程中，导致接收与发射两个频段的信号相互影响，造成增益低、效率低、系统吞吐量和网络容量下降。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中定位天线的接收和发射两个频段之间隔离度较低，耦合度较高的问题，从而提供一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线，该异频去耦收发天线包括：自上而下依次设置的第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元和所述第二辐射单元的工作频率不同；馈电单元，设置在所述第二辐射单元的下方；所述馈电单元包括第一馈线和第二馈线，所述第一馈线与所述第一辐射单元连接，所述第二馈线与所述第二辐射单元连接；第一开路枝节，设置在所述第一馈线上；所述第一开路枝节适于滤除所述第二辐射单元工作频段附近的信号；第二开路枝节，设置在所述第二馈线上；所述第二开路枝节适于滤除所述第一辐射单元工作频段附近的信号。
可选地，所述第一辐射单元包括第一辐射贴片和第一介质层，所述第一辐射贴片设置在所述第一介质层上；所述第一馈线与所述第一辐射贴片连接；所述第二辐射单元包括第二辐射贴片和第二介质层，所述第二辐射贴片设置在所述第二介质层上；所述第二馈线与所述第二辐射贴片连接。
可选地，该异频去耦收发天线还包括第一馈电孔，开设在所述第一辐射单元上；第二馈电孔和第三馈电孔，开设在所述第二辐射单元上；所述第一馈电孔和所述第二馈电孔连通；第一导电结构，设置在所述第二馈电孔和所述第一馈电孔中；所述第一导电结构的第一端与所述第一辐射贴片连接，所述第一导电结构的第二端与所述第一馈线连接；第二导电结构，设置在所述第三馈电孔中；所述第二导电结构的第一端与所述第二辐射贴片连接，所述第二导电结构的第二端与所述第二馈线连接。可选地，所述第一导电结构为第一探针，所述第二导电结构为第二探针。
可选地，所述馈电单元还包括：介质基板，设置有第三导电结构和第四导电结构；接地板，设置在所述介质基板的第一端面上；所述第一馈线和所述第二馈线，设置在所述介质基板的第二端面上；所述第一端面与所述第二端面相对设置；所述第三导电结构的一端与所述第一馈线连接，另一端与所述第一导电结构的第二端连接；所述第四导电结构的一端与所述第二馈线连接，另一端与所述第二导电结构的第二端连接。
可选地，所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片呈正方形；所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片在对角上分别设有两个等腰三角形的切角；所述第一辐射贴片设有切角的对角线与所述第二辐射贴片设有切角的对角线相互垂直。
可选地，位于所述第一辐射贴片上切角的边长小于位于所述第二辐射贴片切角的边长。
可选地，所述第一介质层和所述第二介质层采用陶瓷材质。
可选地，所述第一辐射贴片、所述第二辐射贴片、所述接地板、所述第一馈线和所述第二馈线的材料为金属或所述金属的合金。
可选地，所述金属为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明实施例提供了一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线，该异频去耦收发天线包括：异频去耦元件，设置在所述异频去耦收发天线上；所述异频去耦元件用于接收和发射不同频率的信号以及减弱不同频率信号之间的耦合；所述异频去耦元件包括：自上而下依次设置的第一辐射单元和第二辐射单元；所述第一辐射单元和所述第二辐射单元的工作频率不同；馈电单元，设置在所述第二辐射单元的下方；所述馈电单元包括第一馈线和第二馈线，所述第一馈线与所述第一辐射单元连接，所述第二馈线与所述第二辐射单元连接；第一开路枝节，设置在所述第一馈线上；所述第一开路枝节适于滤除所述第二辐射单元工作频段附近的信号；第二开路枝节，设置在所述第二馈线上；所述第二开路枝节适于滤除所述第一辐射单元工作频段附近的信号。
如此设置，由于该异频去耦收发天线包含两个谐振在不同频率的第一辐射单元和第二辐射单元，并由馈电单元的第一馈线和第二馈线分别馈电，从而可以保证接收和发射不同频率的信号，且互不影响。同时，在馈电单元中的第一馈线和第二馈线都引入带阻的第一开路枝节和第二开路枝节，第一开路枝节适于滤除第二辐射单元工作频段附近的信号，第二开路枝节适于滤除第一辐射单元工作频段附近的信号，从而可以减弱两个频率之间的互相耦合，由此实现异频去耦收发天线中收发频段之间互不干扰的高隔离度的效果。并且，通过设置第一开路枝节和第二开路枝节，可以减少耦合器以及加工焊接的使用，从而降低了成本与加工难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通工人来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实例异频去耦收发天线的整体结构示意图；
图2为本发明实例异频去耦收发天线的俯视图；
图3为本发明实例异频去耦收发天线的侧视图；
图4为本发明实例异频去耦收发天线的平面准螺旋天线单元的增益仿真结果图；
图5为本发明实例异频去耦收发天线在频率为1616MHz处的方向图仿真结果图；
图6为本发明实例异频去耦收发天线在频率为2492MHz处的方向图仿真结果图；
图7本发明实例异频去耦收发天线在1616MHz附近频率的轴比仿真结果图；
图8本发明实例异频去耦收发天线在2492MHz附近频率的轴比仿真结果图。
附图标记：
1、第一辐射贴片；2、第一介质层；21、第一馈电孔；3、第二辐射贴片；4、第二介质层；41、第二馈电孔；42、第三馈电孔；5、接地板；6、介质基板；61、第三导电结构；62、第四导电结构；7、第一馈线；8、第二馈线；9、第一导电结构；10、第二导电结构。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通工人在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通工人而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
随着通讯技术的进步，全球卫星定位与通信系统已广泛应用在各个领域。目前，北斗一代卫星导航系统工作于两个频段，北斗天线作为系统的重要组成部分，其性能优劣直接关乎整个系统的质量，其中L频段的天线以左旋圆极化的方式工作，S频段的天线以右旋圆极化的方式工作。并且，北斗一代定位天线的收发频率和工作模式都已固定，并且大多都是采用同频耦合的工作方式。
例如，现有技术中存在一种双频圆极化微带北斗定位天线，该定位天线包括：同轴馈电探针、下层基板和上层基板，下层基板的底面设置有金属接地层，下层基板的顶面设置有下层微带贴片，上层基板的顶面设置有上层微带贴片，下层微带贴片上设置有馈电孔，同轴探针给上层微带贴片馈电。
但是，该定位天线的接收发射两个频段之间隔离度较低，耦合度较高，如此会使得天线在收发过程中，导致接收与发射两个频段的信号相互影响，造成增益低、效率低、系统吞吐量和网络容量下降。
因此，本发明要解决的技术问题在于现有技术中定位天线的接收和发射两个频段之间隔离度较低，耦合度较高的问题，从而提供一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线。
实施例1
如图1至图8所示，本发明实施例提供了一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线，该异频去耦收发天线包括异频去耦元件，异频去耦元件设置在所述异频去耦收发天线上。所述异频去耦元件用于接收和发射不同频率的信号以及减弱不同频率信号之间的耦合。所述异频去耦元件包括由上到下依次设置的第一辐射单元、第二辐射单元、馈电单元、第一开路枝节和第二开路枝节。第一辐射单元和第二辐射单元的工作频率不同。
具体地，馈电单元设置在第二辐射单元的下方，所述馈电单元包括第一馈线7和第二馈线8，其中，第一馈线7与第一辐射单元连接，第二馈线8与第二辐射单元连接。该异频去耦收发天线还包括第一开路枝节和第二开路枝节，第一开路枝节设置在第一馈线7上，所述第一开路枝节适于滤除所述第二辐射单元工作频段附近的信号。第二开路枝节设置在所述第二馈线8上，所述第二开路枝节适于滤除所述第一辐射单元工作频段附近的信号。
如此设置，由于该异频去耦收发天线包含两个谐振在不同频率的第一辐射单元和第二辐射单元，并由馈电单元的第一馈线7和第二馈线8分别馈电，从而可以保证馈电结构与辐射结构接收和发射不同频率的信号，且互不影响。同时，在馈电单元中的第一馈线7和第二馈线8都引入带阻的第一开路枝节和第二开路枝节，第一开路枝节适于滤除第二辐射单元工作频段附近的信号，第二开路枝节适于滤除第一辐射单元工作频段附近的信号，从而可以减弱两个频率之间的互相耦合，由此实现异频去耦收发天线中收发频段之间互不干扰的高隔离度的效果。并且，通过设置第一开路枝节和第二开路枝节，可以减少耦合器以及加工焊接的使用，从而降低了成本与加工难度。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述第一辐射单元包括第一辐射贴片1和第一介质层2，所述第二辐射单元包括第二辐射贴片3和第二介质层4。第一辐射贴片1设置在所述第一介质层2上，所述第一馈线7与所述第一辐射贴片1连接。所述第二辐射贴片3设置在所述第二介质层4上，所述第二馈线8与所述第二辐射贴片3连接。
具体地，所述第一介质层2和所述第二介质层4可以采用陶瓷材质。在本发明实施例中，所述第一介质层2和第二介质层4为正方形结构，第一介质层2和第二介质层4的大小相等、厚度不同。第一介质层2和第二介质层4的边长均为35mm，第一介质层2的厚度为3mm，第二介质层4的厚度4mm。第一辐射贴片1和第二辐射贴片3的中心在一条直线上。
在本发明的一些实施例中，该异频去耦收发天线还设置有第一馈电孔21、第二馈电孔41和第三馈电孔42。其中，第一馈电孔21开设在所述第一辐射单元上，第二馈电孔41和第三馈电孔42开设在所述第二辐射单元上，并且所述第一馈电孔21和所述第二馈电孔41连通。第一馈电孔21、第二馈电孔41和第三馈电孔42均不在第一介质层2和第二介质层4中心，如此设置是为了改善第一馈线和第二馈线与异频去耦收发天线的匹配，从而实现更好的能量传输以达到更好的工作状态。
具体地，在本发明实施例中，第一馈电孔21、第二馈电孔41和第三馈电孔42的直径均为1.4mm，并且，第一馈电孔21、第二馈电孔41和第三馈电孔42的高度与其自身所在介质层的高度一致，即第一馈电孔21的高度与第一介质层2的高度一致，第二馈电孔41和第三馈电孔42的高度与第二介质层4的高度一致。
该异频去耦收发天线还设置有第一导电结构9和第二导电结构10。第一导电结构9设置在所述第二馈电孔41和所述第一馈电孔21中，所述第一导电结构9的第一端与所述第一辐射贴片1连接，所述第一导电结构9的第二端与所述第一馈线7连接。第二导电结构10设置在所述第三馈电孔42中，所述第二导电结构10的第一端与所述第二辐射贴片3连接，所述第二导电结构10的第二端与所述第二馈线8连接。
在本实施例中，所述第一导电结构9可以为第一探针，所述第二导电结构10可以为第二探针。当然，本领域技术人员可以根据实际情况对第一导电结构9和第二导电结构10的具体类型进行改变，本实施例仅仅是举例说明，并不加以限制，能够起到相同的技术效果即可。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述馈电单元还包括接地板5和介质基板6。介质基板6中设置有第三导电结构61和第四导电结构62，接地板5设置在所述介质基板6的第一端面上，所述第一馈线7和所述第二馈线8设置在所述介质基板6的第二端面上，所述第一端面与所述第二端面相对设置。所述第三导电结构61的一端与所述第一馈线7连接，另一端与所述第一导电结构9的第二端连接。所述第四导电结构62的一端与所述第二馈线8连接，另一端与所述第二导电结构10的第二端连接。同样地，第三导电结构61和第四导电结构62也可以为导电探针。
具体地，所述第一馈线7和所述第二馈线8是两条不同长度且彼此不连接的馈线，第一馈线7通过连接第三导电结构61和位于第一馈电孔21、第二馈电孔41中的第一探针接到第一辐射贴片1表面，实现2492MHz频段的天线的馈电。第二馈线8通过连接第四导电结构62和位于第三馈电孔42中的第二探针接到第二辐射贴片3表面，实现1616MHz频段的天线的馈电。
在此实施例中，第一馈线7可以选取50Ω的馈线，第一开路枝节可以选取与1616MHz对应的四分之一波长开路枝节，第一馈线7再加载一段1616MHz对应的四分之一波长开路枝节能够为工作在2492MHz的第一辐射贴片1滤除掉1616MHz附近频段的杂波。同样地，第二馈线8可以选取50Ω馈线，第二开路枝节可以选取与2492MHz对应的四分之一波长开枝节，第二馈线8再加载一段2492MHz对应的四分之一波长开枝节能够为工作在1616MHz的第二辐射贴片3滤除掉2492MHz附近频段的杂波，由此实现收发异频的带阻效应，实现了代替耦合器的高隔离度北斗天线，也实现了异频去耦收发天线中收发频段之间互不干扰的高隔离度的效果。
当然，本领域技术人员可以根据实际情况对馈线和开路枝节的具体参数进行调整，本实施例仅仅是举例说明，并不加以限制，能够起到相同的技术效果即可。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片3呈正方形，所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片3的边长分别为17.7mm、25.3mm。所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片3在对角上分别设有两个等腰三角形的切角，且所述第一辐射贴片1和所述第二辐射贴片3的切角边长不同。所述第一辐射贴片1设有切角的对角线与所述第二辐射贴片3设有切角的对角线相互垂直。并且，位于所述第一辐射贴片1上切角的边长小于位于所述第二辐射贴片3切角的边长。
例如，在本发明实施例中，第一辐射贴片1的切角的直角边边长为1.9mm，第二辐射贴片3的切角的直角边边长为2.3mm。贴片的大小和切角的大小是由异频去耦收发天线的工作频率决定，而在辐射贴片上设置切角是为了激励出两个幅度相同，相位相差90度的正交谐振模式，两种模式的电场简并叠加，由此呈现出圆极化辐射。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述第一辐射贴片1、所述第二辐射贴片3、所述接地板5、所述第一馈线7和所述第二馈线8的材料可以为金属或所述金属的合金。金属可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种。金属的合金可以为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的合金中任意一种。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步的说明：
仿真1，对本发明实施例的天线在1.4GHz～2.7GHz频段内的S参数进行仿真，结果如图4。由S11与S22曲线可知天线阻抗带宽为1.5974GHz～1.6317GHz和2.4470GHz～2.5360GHz，由S21与S12曲线可知在工作频段内隔离度大于20dB。
仿真2，对本发明实施例的异频去耦收发天线在1616MHz处的增益进行仿真，结果如图5。天线的极化方式为左旋圆极化(LHCP)，在+z方向增益达到4.6154dB。
仿真3，对本发明实施例的异频去耦收发天线在2492MHz处的增益进行仿真，结果如图6。天线的极化方式为右旋圆极化(RHCP)，在+z方向增益达到5.7820dB。
仿真4，分别对本发明实施例的天线在收发两个频段处1616MHz和2492MHz的轴比进行仿真，结果如图7、图8所示。天线在1616MHz和2492MHz的3dB轴比带宽分别为1.607～1.620GHz和2.479GHz～2.499GHz。
以上仿真结果说明，本发明在实现双频圆极化工作方式的同时两个频段具有较高的隔离效果。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通工人来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种应用于北斗导航系统的异频去耦收发天线，其特征在于，包括：
异频去耦元件，设置在所述异频去耦收发天线上；所述异频去耦元件用于接收和发射不同频率的信号以及减弱不同频率信号之间的耦合；
所述异频去耦元件包括：
自上而下依次设置的第一辐射单元和第二辐射单元，所述第一辐射单元和所述第二辐射单元的工作频率不同；
馈电单元，设置在所述第二辐射单元的下方；所述馈电单元包括第一馈线(7)和第二馈线(8)，所述第一馈线(7)与所述第一辐射单元连接，所述第二馈线(8)与所述第二辐射单元连接；
第一开路枝节，设置在所述第一馈线(7)上；所述第一开路枝节适于滤除所述第二辐射单元工作频段附近的信号；
第二开路枝节，设置在所述第二馈线(8)上；所述第二开路枝节适于滤除所述第一辐射单元工作频段附近的信号。
2.根据权利要求1所述的异频去耦收发天线，其特征在于，
所述第一辐射单元包括第一辐射贴片(1)和第一介质层(2)，所述第一辐射贴片(1)设置在所述第一介质层(2)上；所述第一馈线(7)与所述第一辐射贴片(1)连接；
所述第二辐射单元包括第二辐射贴片(3)和第二介质层(4)，所述第二辐射贴片(3)设置在所述第二介质层(4)上；所述第二馈线(8)与所述第二辐射贴片(3)连接。
3.根据权利要求2所述的异频去耦收发天线，其特征在于，还包括：
第一馈电孔(21)，开设在所述第一辐射单元上；
第二馈电孔(41)和第三馈电孔(42)，开设在所述第二辐射单元上；所述第一馈电孔(21)和所述第二馈电孔(41)连通；
第一导电结构(9)，设置在所述第二馈电孔(41)和所述第一馈电孔(21)中；所述第一导电结构(9)的第一端与所述第一辐射贴片(1)连接，所述第一导电结构(9)的第二端与所述第一馈线(7)连接；
第二导电结构(10)，设置在所述第三馈电孔(42)中；所述第二导电结构(10)的第一端与所述第二辐射贴片(3)连接，所述第二导电结构(10)的第二端与所述第二馈线(8)连接。
4.根据权利要求3所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述第一导电结构(9)为第一探针，所述第二导电结构(10)为第二探针。
5.根据权利要求3或4所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述馈电单元还包括：
介质基板(6)，设置有第三导电结构(61)和第四导电结构(62)；
接地板(5)，设置在所述介质基板(6)的第一端面上；
所述第一馈线(7)和所述第二馈线(8)，设置在所述介质基板(6)的第二端面上；所述第一端面与所述第二端面相对设置；
所述第三导电结构(61)的一端与所述第一馈线(7)连接，另一端与所述第一导电结构(9)的第二端连接；所述第四导电结构(62)的一端与所述第二馈线(8)连接，另一端与所述第二导电结构(10)的第二端连接。
6.根据权利要求2-4任一项所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述第一辐射贴片(1)和所述第二辐射贴片(3)呈正方形；所述第一辐射贴片(1)和所述第二辐射贴片(3)在对角上分别设有两个等腰三角形的切角；所述第一辐射贴片(1)设有切角的对角线与所述第二辐射贴片(3)设有切角的对角线相互垂直。
7.根据权利要求2-4任一项所述的异频去耦收发天线，其特征在于，位于所述第一辐射贴片(1)上切角的边长小于位于所述第二辐射贴片(3)切角的边长。
8.根据权利要求2-4任一项所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述第一介质层(2)和所述第二介质层(4)采用陶瓷材质。
9.根据权利要求5所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述第一辐射贴片(1)、所述第二辐射贴片(3)、所述接地板(5)、所述第一馈线(7)和所述第二馈线(8)的材料为金属或所述金属的合金。
10.根据权利要求9所述的异频去耦收发天线，其特征在于，所述金属为铝、铁、锡、铜、银、金和铂的任意一种。
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