CN113964533B - 一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线 - Google Patents

一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线，包括缝隙加载圆形辐射贴片、支撑介质板、金属弯曲圆环加载开槽地板、短路探针和馈电探针，所述缝隙加载圆形辐射贴片包括从中心到边缘依次设置的圆形贴片、环形缝隙和四个正交放置的类T型馈电贴片，所述支撑介质板包括介质基板和8个圆形槽，所述金属弯曲圆环加载开槽地板包括从中心到边缘依次设置的馈电保护孔、圆形地板、第一地板环形缝隙、第二地板环形缝隙、第三地板环形缝隙、不同弯曲角度的金属圆环，由于采用了所提出的地板环形缝隙和金属弯曲圆环的设计使天线取得了良好的宽轴比波束的效果，另外天线结构简单、体积小，非常适合应用于多系统兼容卫星导航天线。

Description

一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线
技术领域
本发明涉及圆极化天线领域，尤其涉及用于多系统兼容卫星导航的小型化抗多径圆极化天线。
背景技术
全球卫星导航系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括美国的全球定位系统GPS、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、欧盟的伽利略卫星导航系统(GALILEO)和中国的北斗卫星导航系统(BDS)。全球卫星导航系统凭借其定位精准、速度快、效率高等一系列优点，常用于导航、定位、测量、救援、监视和管理、电力电信和军事等。
如今，全球导航卫星系统(GNSS)广泛应用于各个领域。在卫星通信中，由于单个卫星导航系统的卫星数目相对较少，因此只能完成有限信号空间范围的覆盖，导致降低了定位的精度。为了补充不同系统的优点，并且使接收器紧凑，多系统兼容卫星导航天线是首选。
在卫星导航系统中，多径干扰是信号接收产生误差的主要原因。在信号的传播过程中，由于反射和散射会产生多径信号，多径信号的传播路程不同会导致相位的差异产生干扰，多径信号干扰会引起接收机载噪比变化，导航系统的定位精度变低。为了提高卫星导航系统的定位精度，克服多径干扰意义重大。目前，抗多径天线设计通常从抑制表面波和展宽天线轴比波束宽度两个方面来考虑。在面对有限的空间时，小型化的天线有良好的应用价值和发展前景。
目前，小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线的研究成果不是很理想，窄频带内具有宽轴比波束的研究成果较多，而宽频带内的研究成果轴比波束宽度普遍相对较窄，未能获得理想的性能，同时可能存在定位精度不够高和尺寸大等缺点。为了解决宽频带内许多性能指标不可兼得的问题，提出一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本文公开了一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线，包括：缝隙加载圆形辐射贴片、支撑介质板、金属弯曲圆环加载开槽地板、短路探针和馈电探针；
所述缝隙加载圆形辐射贴片包括从中心到边缘依次设置的圆形贴片、环形缝隙和四个正交放置的类T型馈电贴片；所述类T型馈电贴片包括环形弧片和矩形贴片；所述馈电探针与四个正交放置的类T型馈电贴片相连接，所述类T型馈电贴片四周蚀刻有进行同层容性耦合馈电类T型缝隙；所述支撑介质板包括介质基板和8个圆形槽；
所述金属弯曲圆环加载开槽地板包括从中心到边缘依次设置的馈电保护孔、圆形地板、第一地板环形缝隙、第二地板环形缝隙、第三地板环形缝隙和不同弯曲角度的金属圆环；所述金属圆环按圆形排列在第三地板环形缝隙外侧的地板上；所述金属圆环包括小角度弯曲的金属圆环和大角度弯曲的金属圆环；所述小角度弯曲的金属圆环和大角度弯曲的金属圆环的个数均为12个；所述小角度弯曲的金属圆环的间隔为30°；所述大角度弯曲的金属圆环的间隔为30°；所述小角度弯曲的金属圆环和大角度弯曲的金属圆环的间隔为15°；
所述短路探针按圆形排列设置，所述短路探针的底部位于第一地板环形缝隙的内侧、垂直向上穿过所述支撑介质板的8个圆形槽、顶端围绕在所述缝隙加载圆形辐射贴片四周，所述短路探针为8个，所述馈电探针为4个，所述馈电保护孔的直径大于馈电探针的直径；
所述第一地板环形缝隙、第二地板环形缝隙、第三地板环形缝隙的缝隙宽度相同；所述第一地板环形缝隙、第二地板环形缝隙、第三地板环形缝隙的间距不同。
所述短路探针的直径大于所述不同弯曲角度的金属圆环的直径。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线获得了宽频带内较好的阻抗匹配特性和轴比特性，可兼容多个卫星导航系统。此外该天线在宽频带内还获得了较宽的3-dB轴比波束宽度、较高的前后比，可有效提高天线的抗多径性能。另外，该天线体积较小，结构紧凑。综上，本发明提供的一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线非常适用于空间紧凑、定位精度要求高的卫星定位场合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线的分解结构图；
图2是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线的结构俯视图；
图3是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线的回波损耗(S11)图；
图4是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1207MHZ频点的辐射方向性图；
图5是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1227.6MHZ频点的辐射方向性图；
图6是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1247MHZ频点的辐射方向性图；
图7是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1560MHZ频点的辐射方向性图；
图8是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1580MHZ频点的辐射方向性图；
图9是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1207MHZ频点的圆极化轴比图；
图10是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1227.6MHZ频点的圆极化轴比图；
图11是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1247MHZ频点的圆极化轴比图；
图12是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1560MHZ频点的圆极化轴比图；
图13是本发明宽轴比波束全球导航卫星系统天线在1580MHZ频点的圆极化轴比图；
图中：1、缝隙加载圆形辐射贴片，11、圆形贴片，12、环形缝隙，13、类T型馈电贴片，2、支撑介质板，21、介质基板，22、圆形槽，3、金属弯曲圆环加载开槽地板，31、馈电保护孔，32、圆形地板，33、第一地板环形缝隙，34、第二地板环形缝隙，35、第三地板环形缝隙，36、不同弯曲角度的金属圆环，361、小角度弯曲的金属圆环，362、大角度弯曲的金属圆环，4、短路探针，5、馈电探针。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线由上至下包括缝隙加载圆形辐射贴片1、支撑介质板2、金属弯曲圆环加载开槽地板3、短路探针4和馈电探针5；进一步地，所述缝隙加载圆形辐射贴片1包括从中心到边缘依次设置的圆形贴片11、环形缝隙12和四个正交放置的类T型馈电贴片13；所述四个正交放置的类T型馈电贴片13由环形弧片和矩形贴片组成；所述馈电探针5与所述四个正交放置的类T型馈电贴片13连接，所述四个正交放置的类T型馈电贴片13四周蚀刻有类T型缝隙，以实现同层容性耦合馈电；所述缝隙加载圆形辐射贴片1的直径为60mm。进一步地，所述支撑介质板2包括介质基板21和8个圆形槽22；所述支撑介质板2(相对介电常数εr＝3.5，损耗角正切tanδ＝0.003，)的直径为75mm，厚度为1.5mm，所述8个圆形槽的间隔为45°；所述金属弯曲圆环加载开槽地板3包括从中心到边缘依次设置的、圆形地板32、第一地板环形缝隙33、第二地板环形缝隙34、第三地板环形缝隙35、不同弯曲角度的金属圆环36；所述不同弯曲角度的金属圆环36位于第三地板环形缝隙35外侧地板边缘；所述不同弯曲角度的金属圆环36包括小角度弯曲的金属圆环361和大角度弯曲的金属圆环362；所述小角度弯曲的金属圆环361和大角度弯曲的金属圆环362的个数均为12个；所述小角度弯曲的金属圆环361的间隔为30°；所述大角度弯曲的金属圆环362的间隔为30°；所述小角度弯曲的金属圆环361和大角度弯曲的金属圆环362的间隔为15°；所述金属弯曲圆环加载开槽地板直径为100mm，所述第一地板环形缝隙33、第二地板环形缝隙34、第三地板环形缝隙35的缝隙宽度均为0.5mm，所述第一地板环形缝隙33和第二地板环形缝隙34的间距为4mm，所述第二地板环形缝隙34和第三地板环形缝隙35的间距为3mm，所述小角度弯曲的金属圆环361的半径为2mm，弯曲角度为180°，弯曲直径26mm，所述大角度弯曲的金属圆环362的半径为2mm，弯曲角度为300°，弯曲直径28mm。所述短路探针4为8个，所述8个短路探针的半径为2.5mm，间隔为45°，所述馈电探针5为4个，直径为1mm，间隔为90°，所述馈电保护孔31的直径大于所述馈电探针5的直径。
本发明采用的技术指标如下：
频率范围：1080～1700MHz
轴比：≤3dB
极化方式：RHCP
3-dB轴比波束宽度：>200°
前后比：>20dB
如图1所示的一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线由上至下包括缝隙加载圆形辐射贴片1、支撑介质板2、金属弯曲圆环加载开槽地板3、短路探针4和馈电探针5；进一步地，所述缝隙加载圆形辐射贴片的四个正交放置的类T型馈电贴片13分别通过四个馈电探针5连接到金属弯曲圆环加载开槽地板，所述8个短路探针底部置于第一地板环形缝隙33内侧，穿过所述支撑介质板2的8个圆形槽22后，顶端围绕在所述缝隙加载圆形辐射贴片1外部；所述不同弯曲角度的金属圆环36位于第三地板环形缝隙35外侧地板边缘，并延伸到地板外部。
如图2所示，所述金属弯曲圆环加载开槽地板3包括从中心到边缘依次设置的馈电保护孔31、圆形地板32、第一地板环形缝隙33、第二地板环形缝隙34、第三地板环形缝隙35、不同弯曲角度的金属圆环36。所述金属弯曲圆环加载开槽地板3中的第一地板环形缝隙33、第二地板环形缝隙34和第三地板环形缝隙35与36共同作用，确定所述金属弯曲圆环加载开槽地板直径为100mm，通过给定第一地板环形缝隙33、第二地板环形缝隙34和第三地板环形缝隙35的位置、大小及不同弯曲角度的金属圆环半径及弯曲角度的大小，在宽频带内实现较好的后向抑制和较宽的轴比波束宽度。
如图3所示，本发明提出的小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线工作于低频段和高频段、覆盖1080～1700MHz，用于接收BDS(B2)频段、GALILEO(E5b)频段、GPS(L2)频段和GLONASS(G2)频段的低频段信号以及全球导航卫星系统的高频段信号，实现了在宽频率范围内接收信号。
如图4～8所示，本发明提出的小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线在在低频段频率1207MHz处的前后比为20.45dB(Phi＝0°)；在低频段频率1227.6MHz处的前后比为32dB(Phi＝0°)；在低频段频率1247MHz处的前后比为24.8dB(Phi＝0°)；在高频段频率1560MHz处的前后比为27.1dB(Phi＝0°)；在高频段频率1580MHz处的前后比为29.3dB(Phi＝0°)；前后比均超过20dB，并且在BDS(B2)频段、GALILEO(E5b)频段、GPS(L2)频段和GLONASS(G2)频段与高频段内均实现了右旋圆极化，说明本发明满足导航卫星系统的工作方式，且具有较好的抗多径性能。
如图9～13所示，本发明提出的小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线在低频段频率1207MHz处的轴比波束宽度为267°(Phi＝0°)；在低频段频率1227.6MHz处的轴比波束宽度为317°(Phi＝0°)；在低频段频率1247MHz处的轴比波束宽度为206°(Phi＝0°)；在高频段频率1560MHz处的轴比波束宽度为229°(Phi＝0°)；在高频段频率1580MHz处的轴比波束宽度为243°(Phi＝0°)；。轴比波束宽度均超过200°，说明本发明小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线具有较宽的轴比波束宽度。

Claims (3)

1.一种小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线，其特征在于包括：缝隙加载圆形辐射贴片(1)、支撑介质板(2)、金属弯曲圆环加载开槽地板(3)、短路探针(4)和馈电探针(5)；
所述缝隙加载圆形辐射贴片(1)包括从中心到边缘依次设置的圆形贴片(11)、环形缝隙(12)和四个正交放置的类T型馈电贴片(13)；所述类T型馈电贴片(13)包括环形弧片和矩形贴片；所述馈电探针(5)与四个正交放置的类T型馈电贴片(13)相连接，所述类T型馈电贴片(13)四周蚀刻有进行同层容性耦合馈电类T型缝隙；所述支撑介质板(2)包括介质基板(21)和8个圆形槽(22)；
所述金属弯曲圆环加载开槽地板(3)包括从中心到边缘依次设置的馈电保护孔(31)、圆形地板(32)、第一地板环形缝隙(33)、第二地板环形缝隙(34)、第三地板环形缝隙(35)和不同弯曲角度的金属圆环(36)；所述金属圆环(36)按圆形排列在第三地板环形缝隙(35)外侧的地板上；所述金属圆环(36)包括小角度弯曲的金属圆环(361)和大角度弯曲的金属圆环(362)；所述小角度弯曲的金属圆环(361)和大角度弯曲的金属圆环(362)的个数均为12个；所述小角度弯曲的金属圆环(361)的间隔为30°；所述大角度弯曲的金属圆环(362)的间隔为30°；所述小角度弯曲的金属圆环(361)和大角度弯曲的金属圆环(362)的间隔为15°；
所述短路探针(4)按圆形排列设置，所述短路探针(4)的底部位于第一地板环形缝隙(33)的内侧、垂直向上穿过所述支撑介质板(2)的8个圆形槽(22)、顶端围绕在所述缝隙加载圆形辐射贴片(1)四周，所述短路探针(4)为8个，所述馈电探针(5)为4个，所述馈电保护孔(31)的直径大于馈电探针(5)的直径。
2.根据权利要求1所述的小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线，其特征还在于：所述第一地板环形缝隙(33)、第二地板环形缝隙(34)、第三地板环形缝隙(35)的缝隙宽度相同；所述第一地板环形缝隙(33)、第二地板环形缝隙(34)、第三地板环形缝隙(35)的间距不同。
3.根据权利要求1所述的小型化抗多径的多系统兼容卫星导航天线，其特征还在于：所述短路探针(4)的直径大于所述不同弯曲角度的金属圆环(36)的直径。
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