CN113851863A - 基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线 - Google Patents

基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于多频段天线领域，具体涉及了一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，旨在解决现有多频段北斗天线结构复杂、低仰角增益低、圆极化轴比差、定位精度低的问题。本发明包括：北斗天线馈电电路分别通过B1/B2/B3射频口、L射频口、S射频口发出相应的射频信号；S射频口设置于北斗天线馈电电路中心，B1/B2/B3射频口和L射频口以S射频口为中心对称设置于北斗天线馈电模块两侧边；天线阵列包括第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子，各折弯阵子以设定距离、设定角度选转对称分布于以S射频口为中心的四周，用于接收/发送相应的射频信号。本发明通过弯折阵子及左右旋圆极化共用，实现了小型化宽波束多频融合收发一体的北斗天线。

Description

基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线
技术领域
本发明属于多频段天线领域，具体涉及了一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线。
背景技术
卫星导航系统在经济发展、科学研究、灾害防控及军事领域越来越重要，而卫星导航信号的准确接收尤为重要。卫星导航信号是由分布在各地的地面监测站提供的。北斗导航系统的地面监测站是一种无源设施，必须靠天线接收导航信号，然后将导航信号转换为电流传送给地面监测站的监测接收机。监测接收机所接收的信号与用户团体相同，但是所需要的技术性能要高于常规的高精度设备用户，因此，高精度天线对卫星导航越来越重要。
现有的多频段北斗天线多采用陶瓷微带设计，每个陶瓷微带天线覆盖一个频段，因此，现有的覆盖多频段的北斗天线采用层叠设计的形式。如图1所示，为现有技术中采用层叠微带设计的北斗天线的组成示意图，覆盖B1、L、S三个频段的北斗天线分别采用了三层微带介质板设计，每个介质板所设计的天线工作在单一频段，然后采用层叠排列方式，通过三个不同的射频馈电分别激励，每个天线多采用单一馈电模式，并且高频射频馈电部分要穿过低频辐射单元。
然而，这样的多频段北斗天线还存在诸多问题和缺陷：一、现有多频北斗天线采用的微带设计方案，由于天线固有的工作模式的特点使其工作带宽很窄，因此，多采用层叠设计方案，馈电端口多，叠层设计及调试复杂，单元端口之间的耦合强，隔离度低；二、现有多频段北斗天线采用的设计方案，天线半功率波束宽度窄，3dB轴比波束宽度窄，天线低仰角增益较低；三、现有的多频段北斗天线采用多天线的设计方案，由于馈电的空间有限，每个天线单元多为单馈电点或双馈电点的设计方案，从而造成不同方位的辐射方向图不对称，进而造成天线相位中心与天线的物理中心不在同一轴线，严重影响定位精度。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即现有多频段北斗天线结构复杂、低仰角增益低、圆极化轴比差、定位精度低的问题，本发明提供了一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，该北斗天线包括北斗天线馈电电路和天线阵列；
所述北斗天线馈电电路，用于通过L射频口2发射L射频信号以及分别通过B1/B2/B3射频口1和S射频口3接收B1/B2/B3射频信号和S射频信号；
所述S射频口设置于所述北斗天线馈电电路的中心，所述B1/B2/B3射频口1和所述L射频口2以所述S射频口3为中心对称设置于所述北斗天线馈电电路的两个侧边，所述B1/B2/B3射频口1的馈电电路和所述L射频口2的馈电电路共用所述北斗天线馈电电路中的第一电桥4和第二电桥5；
所述天线阵列包括结构相同的第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子，各折弯阵子以设定距离、设定角度旋转对称分布于以S射频口3为中心的四周，用于接收B1/B2/B3射频信号以及发射L射频信号。
在一些优选的实施例中，所述第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子分别包括一个竖直金属臂、一个与所述竖直金属臂垂直的水平金属臂以及一个与所述北斗天线馈电电路固定的连接面。
在一些优选的实施例中，所述第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子沿顺时针方向分布。
在一些优选的实施例中，所述第一电桥4和所述第二电桥5为3dB电桥。
在一些优选的实施例中，所述第一电桥4包括端口401、端口402、端口403和端口404，所述第二电桥5包括端口501、端口502、端口503和端口504；
当B1/B2/B3射频口1激励时，端口402和端口504作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为0°、90°、180°、270°，用于辐射右旋圆极化波；
当L射频口2激励时，端口401和端口503作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为-0°、-90°、-180°、-270°，用于辐射左旋圆极化波。
在一些优选的实施例中，所述第一弯折阵子、所述第二弯折阵子、所述第三弯折阵子和所述第四弯折阵子与所述B1/B2/B3射频口1的馈电电路和所述L射频口2的馈电电路的共用的第一电桥4和第二电桥5的输出端口相连。
在一些优选的实施例中，所述北斗天线还包括第一功分器6和第二功分器7；
所述第一功分器6用于所述B1/B2/B3射频口1与所述第一电桥4的端口402、所述第二电桥5的端口504的连接；
所述第二功分器7用于所述L射频口2与所述第一电桥4的端口401、所述第二电桥5的端口503的连接。
在一些优选的实施例中，所述第一功分器6和所述第二功分器7为宽带180度功分器。
在一些优选的实施例中，所述天线阵列中各弯折阵子的竖直金属臂用于拓展信号的波束宽度，所述天线阵列中各弯折阵子的水平金属臂用于拓展信号的法向增益，获得宽波束辐射特性信号。
在一些优选的实施例中，所述天线阵列的结构中心与相位中心处于同一轴线，实现圆极化天线相位中心的稳定；
所述S射频口3处于所述天线阵列的中心，与所述天线阵列共口径，利用所述天线阵列对低频段信号的反射地板作用，实现S频段天线的高增益辐射。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，将B频段和L频段共用同一组辐射阵子（即左右旋圆极化共用），减小成本，提高了设计集成度，有利于天线小型化。
（2）本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，弯折阵列中各弯折阵子的竖直金属臂拓展信号的波束宽度，水平金属臂拓展信号的法向增益，既能保证天线法向有效辐射，又能保证天线低仰角增益高要求，可以有效获取宽波束辐射特性信号。
（3）本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，弯折阵列中各弯折阵子旋转对称，保证了天线相位中心与物理中心在同一轴线，确保了圆极化天线相位稳定，有利于高精度定位。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是现有技术中采用层叠微带设计的北斗天线的组成示意图；
图2是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线的组成示意图；
图3是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的仿真端口驻波比曲线图；
图4是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的北斗天线馈电电路与3dB电桥结构示意图；
图5是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的弯折阵列示意图；
图6是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的弯折天线宽波束原理示意图；
图7是本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的B1/B2/B3/L/S频段仿真方向图和轴比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明提供一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，在现有技术上做了诸多改进：（1）采用一个天线端口即可覆盖B1/B2/B3等频段，避免了现有技术中多频北斗天线使用的每个天线覆盖一个频段的设计，从而简化设计；（2）采用阵子共用技术，将用于右旋圆极化的B1/B2/B3的阵子也用于左旋的L频段，既能实现辐射阵子复用，又能节约设计成本；（3）采用弯折阵子设计方案，使得天线既辐射轴向模，也能辐射法向模，从而展宽天线的波束宽度；（4）采用多馈电点设计方案，保证天线在不同方位的辐射方向图的一致性，从而保证天线的相位中心与物理中心在同一轴线。
本发明的一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，该北斗天线包括北斗天线馈电电路和天线阵列；
所述北斗天线馈电电路，用于通过L射频口2发射L射频信号以及分别通过B1/B2/B3射频口1和S射频口3接收B1/B2/B3射频信号和S射频信号；
所述S射频口设置于所述北斗天线馈电电路的中心，所述B1/B2/B3射频口1和所述L射频口2以所述S射频口3为中心对称设置于所述北斗天线馈电电路的两个侧边，所述B1/B2/B3射频口1的馈电电路和所述L射频口2的馈电电路共用所述北斗天线馈电电路中的第一电桥4和第二电桥5；
所述天线阵列包括结构相同的第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子，各折弯阵子以设定距离、设定角度旋转对称分布于以S射频口3为中心的四周，用于接收B1/B2/B3射频信号以及发射L射频信号。
为了更清晰地对本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线进行说明，下面结合图2对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，包括北斗天线馈电电路和天线阵列，各模块详细描述如下：
所述北斗天线馈电电路，用于通过L射频口2发射L射频信号以及分别通过B1/B2/B3射频口1和S射频口3接收B1/B2/B3射频信号和S射频信号。
本发明将B1/B2/B3频段天线和L频段天线共用同一组辐射阵子，既减小了设计复杂度，又能使北斗天线结构紧凑，实现小型化。在本发明一个实施例中，天线口面直径仅有120mm。
如图3所示，为本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的仿真端口驻波比曲线图，横坐标代表频率，单位为GHz，纵坐标代表驻波比，从图中可以看出。天线在1.15GHz~1.7GHz之间时满足VSWR（驻波比）＜1.5。
所述S射频口设置于所述北斗天线馈电电路的中心，所述B1/B2/B3射频口1和所述L射频口2以所述S射频口3为中心对称设置于所述北斗天线馈电电路的两个侧边，所述B1/B2/B3射频口1的馈电电路和所述L射频口2的馈电电路共用所述北斗天线馈电电路中的第一电桥4和第二电桥5。
第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子与B1/B2/B3射频口1的馈电电路和L射频口2的馈电电路的共用的第一电桥4和第二电桥5的输出端口相连。
第一电桥4包括端口401、端口402、端口403和端口404，所述第二电桥5包括端口501、端口502、端口503和端口504；
当B1/B2/B3射频口1激励时，端口402和端口504作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为0°、90°、180°、270°，用于辐射右旋圆极化波；
当L射频口2激励时，端口401和端口503作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为-0°、-90°、-180°、-270°，用于辐射左旋圆极化波。本发明一个实施例中，第一电桥和所述第二电桥均采用3dB电桥。
北斗天线还包括第一功分器6和第二功分器7，第一功分器6用于所述B1/B2/B3射频口1与所述第一电桥4的端口402、所述第二电桥5的端口504的连接，第二功分器7用于所述L射频口2与所述第一电桥4的端口401、所述第二电桥5的端口503的连接。本发明一个实施例中，第一功分器6和所述第二功分器7均采用宽带180度功分器。
如图4所示，为本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的北斗天线馈电电路与3dB电桥结构示意图，图4左图为天线馈电电路图，馈电电路包括B1/B2/B3射频口1、L射频口2、S射频口3、第一电桥4、第二电桥5、第一功分器6和第二功分器7，如4右上图为第一电桥4结构图，第一电桥4包括端口401、端口402、端口403和端口404，图4右下图为第二电桥5结构图，第二电桥5包括端口501、端口502、端口503和端口504。
天线共用技术的工作原理如下：当B1/B2/B3射频口激励时，端口402和端口504作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为0°、90°、180°、270°，用于辐射右旋圆极化波；当L射频口激励时，端口401和端口503作为第一电桥4和第二电桥5的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为-0°、-90°、-180°、-270°，用于辐射左旋圆极化波。
所述天线阵列包括结构相同的第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子，各折弯阵子以设定距离、设定角度旋转对称分布于以S射频口3为中心的四周，用于接收B1/B2/B3射频信号以及发射L射频信号。
如图5所示，为本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的弯折阵列示意图，第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子分别包括一个竖直金属臂、一个与所述竖直金属臂垂直的水平金属臂以及一个与所述北斗天线馈电模块固定的连接面。该结构仅是折弯阵子一个优选的结构，其不局限于长条形弯折形式，在实际应用中，只要最终可以获得所需的在波束宽度方向和法向方向均有增益的宽波束辐射特性信号，弯折阵子可以根据需要选择不同形状、不同的结构组成。
第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子沿顺时针方向分布。
天线阵列中各弯折阵子的竖直金属臂用于拓展信号的波束宽度，所述天线阵列中各弯折阵子的水平金属臂用于拓展信号的法向增益，获得宽波束辐射特性信号。本发明对天线单元的结构不作限定，任何基于此原理设计的天线单元均应在本发明保护范围之内。
如图6所示，为本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的弯折天线宽波束原理示意图，可以看出，波束宽度拓展后的信号（图6最左边波形）与法向增益拓展后的信号（图6中间波形）叠加后获得宽波束辐射特性信号（图6最右边波形）。
天线阵列的结构中心与相位中心处于同一轴线，实现圆极化天线相位中心的稳定。
相位中心与物理中心在同一轴线，相位中心稳定：天线结构上采用中心对称设计方案，将辐射阵子配合相位梯度依次旋转辐射圆极化波，保证了结构上的物理中心与天线的相位中心在同一轴线，从而确保圆极化天线相位中心稳定。
S射频口3处于天线阵列的中心，与天线阵列共口径，利用天线阵列对低频段信号的反射地板作用，实现S频段天线的高增益辐射。
高增益S频段天线：S频段天线采用中心馈电的微带设计方案，与低频段天线在结构上成共口径放置，节约了安装空间，更重要的是，由于低频段天线的反射地板作用，S频段天线具有大于7dBi的高增益辐射性能。
如图7所示，为本发明基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线一种实施例的B1/B2/B3/L/S频段仿真方向图和轴比图，图7左列为B1/B2/B3/L/S频段仿真方向图，横坐标为角度（单位：度），纵坐标为增益（单位：dBi），图7右列为B1/B2/B3/L/S频段轴比图，横坐标为角度（单位：度），纵坐标为轴比（单位：dB）。
本发明一个实施例中，天线的仿真技术指标如表1所示：
表1
Figure 586799DEST_PATH_IMAGE001
需要说明的是，上述实施例提供的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，该北斗天线包括北斗天线馈电电路和天线阵列；
所述北斗天线馈电电路，用于通过L射频口（2）发射L射频信号以及分别通过B1/B2/B3射频口（1）和S射频口（3）接收B1/B2/B3射频信号和S射频信号；
所述S射频口设置于所述北斗天线馈电电路的中心，所述B1/B2/B3射频口（1）和所述L射频口（2）以所述S射频口（3）为中心对称设置于所述北斗天线馈电电路的两个侧边，所述B1/B2/B3射频口（1）的馈电电路和所述L射频口（2）的馈电电路共用所述北斗天线馈电电路中的第一电桥（4）和第二电桥（5）；
所述天线阵列包括结构相同的第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子，各折弯阵子以设定距离、设定角度旋转对称分布于以S射频口（3）为中心的四周，用于接收B1/B2/B3射频信号以及发射L射频信号。
2.根据权利要求1所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子分别包括一个竖直金属臂、一个与所述竖直金属臂垂直的水平金属臂以及一个与所述北斗天线馈电电路固定的连接面。
3.根据权利要求2所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一弯折阵子、第二弯折阵子、第三弯折阵子和第四弯折阵子沿顺时针方向分布。
4.根据权利要求1所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一电桥（4）和所述第二电桥（5）为3dB电桥。
5.根据权利要求4所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一电桥（4）包括端口401、端口402、端口403和端口404，所述第二电桥（5）包括端口501、端口502、端口503和端口504；
当B1/B2/B3射频口（1）激励时，端口402和端口504作为第一电桥（4）和第二电桥（5）的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为0°、90°、180°、270°，用于辐射右旋圆极化波；
当L射频口（2）激励时，端口401和端口503作为第一电桥（4）和第二电桥（5）的输入端口，端口403、端口404、端口502、端口501的相位梯度依次为-0°、-90°、-180°、-270，用于辐射左旋圆极化波。
6.根据权利要求5所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一弯折阵子、所述第二弯折阵子、所述第三弯折阵子和所述第四弯折阵子与所述B1/B2/B3射频口（1）的馈电电路和所述L射频口（2）的馈电电路的共用的第一电桥（4）和第二电桥（5）的输出端口相连。
7.根据权利要求6所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述北斗天线还包括第一功分器（6）和第二功分器（7）；
所述第一功分器（6）用于所述B1/B2/B3射频口（1）与所述第一电桥（4）的端口402、所述第二电桥（5）的端口504的连接；
所述第二功分器（7）用于所述L射频口（2）与所述第一电桥（4）的端口401、所述第二电桥（5）的端口503的连接。
8.根据权利要求7所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述第一功分器（6）和所述第二功分器（7）为宽带180度功分器。
9.根据权利要求2所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述天线阵列中各弯折阵子的竖直金属臂用于拓展信号的波束宽度，所述天线阵列中各弯折阵子的水平金属臂用于拓展信号的法向增益，获得宽波束辐射特性信号。
10.根据权利要求1所述的基于弯折阵子的小型化宽波束多频融合收发一体北斗天线，其特征在于，所述天线阵列的结构中心与相位中心处于同一轴线，实现圆极化天线相位中心的稳定；
所述S射频口（3）处于所述天线阵列的中心，与所述天线阵列共口径，利用所述天线阵列对低频段信号的反射地板作用，实现S频段天线的高增益辐射。
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