CN114824766B - 一种多模式导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模式导航天线，涉及天线领域，所述天线包括：自下而上设置的多层：馈电网络、接地贴片以及第三辐射贴片、第二辐射贴片、第一辐射贴片，其中，每两层之间设置有介质基板；第一辐射贴片基于两馈电金属化过孔馈电，两馈电金属化过孔贯穿至馈电网络，第二辐射贴片基于四馈电金属化过孔馈电，四馈电金属化过孔贯穿至馈电网络，第三辐射贴片为圆环形，第三辐射贴片与第二辐射贴片共用四馈电金属化过孔，馈电方式为电磁耦合馈电。本发明的多模式导航天线体积小，重量轻，低剖面，易与载体共形，易与射频电路集成制作，能得到单方向的宽瓣方向图，最大辐射方向在平面的法线方向。为微带天线的进一步多模式化提供了更优的设计方向。

Description

一种多模式导航天线

技术领域

本发明涉及天线领域，特别是涉及一种多模式导航天线。

背景技术

随着卫星通信、导航定位及遥感技术的发展，对静止及高速目标在各种极化方式和气候条件下定位跟踪的需要，单一极化方式已远难满足要求，圆极化天线的应用就显得十分重要。圆极化天线可接收任意极化形式的来波，其辐射的圆极化波亦可被任意极化天线接收，能正常在雨雪天气中工作，鉴于圆极化天线的这些明显优点，卫星导航定位系统的终端天线一般采用圆极化类别。

为解决单一卫星导航系统存在盲区和定位精度低的问题，未来卫星导航定位系统的发展趋势之一是多种卫星导航定位系统在单机上协同工作，目前较为常用的卫星导航定位系统包括：北斗一号、二号、三号卫星导航系统、GPS系统(Global Positioning System全球定位系统)、GALILEO系统(Galileo Satellite Navigation System伽利略卫星导航系统)。

因此目前亟需提出一种可以覆盖多类卫星导航定位系统的多模式导航天线。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种多模式导航天线，该天线至少能够覆盖GPS系统、GALILEO系统以及北斗三种卫星导航定位系统的接收工作频率，满足右旋圆极化以及达到各系统所要求的其它技术指标。

本发明实施例提供一种多模式导航天线，所述天线包括：自下而上设置的多层：馈电网络、接地贴片以及第三辐射贴片、第二辐射贴片、第一辐射贴片，其中，每两层之间设置有介质基板；

所述第一辐射贴片基于两馈电金属化过孔馈电，所述两馈电金属化过孔贯穿至所述馈电网络，所述第一辐射贴片的工作频带范围包括：北斗一号的下行S频段；

所述第二辐射贴片基于四馈电金属化过孔馈电，所述四馈电金属化过孔贯穿至所述馈电网络，所述第二辐射贴片的工作频带范围包括：GPS的L1频段、北斗一号的上行L频段、北斗二号的B1频段、北斗三号的B1C、B2a频段、GALILEO的E2-L1-E1频段；

所述第三辐射贴片为圆环形，所述第三辐射贴片与所述第二辐射贴片共用所述四馈电金属化过孔，所述第三辐射贴片的馈电方式为电磁耦合馈电，所述第三辐射贴片的工作频带范围包括：GPS的L2频段、GPS的L5频段、GALILEO的E5频段和北斗二号的B2频段；

其中，所述两馈电金属化过孔分别从所述第二辐射贴片内、所述第三辐射贴片的内环空洞内以及所述接地贴片内，贯穿但不接触，并分别与所述第二辐射贴片、所述第三辐射贴片以及所述接地贴片保持预设净空距离；

所述四馈电金属化过孔从所述第三辐射贴片内贯穿但不接触，所述四馈电金属化过孔与所述第三辐射贴片贴近；

所述四馈电金属化过孔从所述接地贴片内贯穿但不接触，并与所述接地贴片保持所述预设净空距离；

所述第三辐射贴片的内环均匀设置有第一预设数量金属化过孔，所述第一预设数量金属化过孔仅贯穿所述第二辐射贴片和所述接地贴片。

可选地，所述第一辐射贴片为正方形，两个馈点分别位于所述正方形的垂直相交两个边的中间点上。

可选地，所述第二辐射贴片为圆形，四个馈点分别位于该圆形的两条垂直相交的线上，所述四个馈点距该圆形的圆心距离均相同；

所述第二辐射贴片的圆形直径大于所述正方形的边长；

可选地，所述圆环形的外环半径大于所述第二辐射贴片的圆形半径；

所述接地贴片为圆形，所述接地贴片的圆形半径大于所述圆环形的外环半径。

可选地，第一介质基板位于所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片之间，其由低介电常数材质构成；

第二介质基板位于所述第二辐射贴片和所述第三辐射贴片之间，其由高介电常数材质构成；

第三介质基板位于所述第三辐射贴片与所述接地贴片之间，其由高介电常数材质构成；

第四介质基板位于所述接地贴片与所述馈电网络之间，其由高介电常数材质构成；

其中，所述高介电常数材质的介电常数为4.4；

所述低介电常数材质的介电常数为2.55。

可选地，所述第一辐射贴片、所述第二辐射贴片、所述第三辐射贴片以及所述接地贴片，均以相同几何中心垂直设置。

可选地，所述四个馈点相位沿顺时针方向依次为0°、-90°、-180°、-270°实现所述第二辐射贴片和所述第三辐射贴片的右旋圆极化。

可选地，所述馈电网络包括：第一馈电网络、第二馈电网络以及第三馈电网络；

所述第二馈电网络与所述第三馈电网络之间设置第二预设数量金属化过孔；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络，则所述两馈电金属化过孔贯穿至所述第一馈电网络，所述四馈电金属化过孔贯穿至所述第二馈电网络，但不与所述第一馈电网络接触，所述四馈电金属化过孔与所述第一馈电网络保持所述预设净空距离；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第一馈电网络、所述第三馈电网络、所述第二馈电网络，则所述四馈电金属化过孔贯穿至所述第二馈电网络，所述两馈电金属化过孔贯穿至所述第一馈电网络，但均不与所述第二馈电网络、所述第三馈电网络接触，所述两馈电金属化过孔与所述第二馈电网络、所述第三馈电网络均保持所述预设净空距离。

可选地，所述第一馈电网络包括：第一功分器和第一90°移相器；

所述第二馈电网络包括：第二功分器、第三功分器、第二90°移相器以及第三90°移相器；

所述第三馈电网络包括：第四功分器和第一180°移相器；

所述第一功分器的两个输出端与所述第一辐射贴片的两馈点之间通过所述两馈电金属化过孔连接；

所述第一功分器的输入端通过一个金属化过孔与外界馈源端口连接，所述第一功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第二功分器、所述第三功分器在各自输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端分别通过两个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第二功分器、所述第三功分器各自的输入端分别为所述第四功分器的输出端；

所述第四功分器在其输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第四功分器的输入端通过一个金属化过孔与外界馈源端口连接，所述第四功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接。

可选地，所述第一馈电网络、所述第二馈电网络以及所述第三馈电网络中，每两个馈电网络之间设置有高介电常数材质构成的介质基板；所述第一馈电网络、所述第二馈电网络以及所述第三馈电网络均设有功分隔离电阻；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络，则所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络各自的功分隔离电阻均与所述第三馈电网络处于同一层；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第一馈电网络、所述第三馈电网络、所述第二馈电网络，则所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络各自的功分隔离电阻均与所述第一馈电网络处于同一层。

本发明提供的多模式导航天线，馈电网络、接地贴片以及每个辐射贴片之间均设置介质基板，馈电网络为辐射贴片馈电，第一辐射贴片基于两馈电金属化过孔馈电，满足右旋圆极化的同时其工作频带范围包括了北斗一号的下行S频段。第二辐射贴片基于四馈电金属化过孔馈电，满足右旋圆极化的同时其工作频带范围包括了北斗一号的上行L频段、北斗二号的部分频段、以及三号的部分频段，还包括GPS的部分频段以及GALILEO的部分频段。第三辐射贴片以电磁耦合馈电方式馈电，与第二辐射贴片共用四馈电金属化过孔，满足右旋圆极化的同时其工作频带范围包括了北斗二号的部分频段、以及GPS部分频段和GALILEO的部分频段。即本发明的多模式导航天线可以覆盖多类卫星导航定位系统。

另外，两馈电金属化过孔贯穿第二、第三辐射贴片以及接地贴片时，均与这些贴片保持预设净空距离，四馈电金属化过孔贴近第三辐射贴片，只需与第三辐射贴片保持实现电磁耦合的合适距离即可，但与接地贴片保持预设净空距离，保证了三个辐射贴片彼此工作频率相对独立，不会互相干扰。本发明的多模式导航天线，基于微带天线和多馈电圆极化的理论基础，整体体积小，重量轻，低剖面，易与载体共形；可采用目前通用技术制作，批量生产成本低，易与射频电路集成制作；并且实现了圆极化、多频段，且能得到单方向的宽瓣方向图，同时使得最大辐射方向在平面的法线方向。为微带天线的进一步多模式化提供了更优的设计方向。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例多模式导航天线的一种优选结构示意图；

图2(a)、(b)、(c)，分别示出了本发明实施例的多模式导航天线在各工作频段的回波损耗S11曲线图；

图3(a)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.180GHz频点的工作频段辐射方向图；

图3(b)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.210GHz频点的工作频段辐射方向图；

图3(c)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.570GHz频点的工作频段辐射方向图；

图3(d)示出了本发明实施例的多模式导航天线在2.490GHz频点的工作频段辐射方向图；

图4(a)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.180GHz频点的工作频段轴比方向图；

图4(b)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.210GHz频点的工作频段轴比方向图；

图4(c)示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.570GHz频点的工作频段轴比方向图；

图4(d)示出了本发明实施例的多模式导航天线在2.490GHz频点的工作频段轴比方向图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用于限定本发明。

发明人发现，由于目前对多种卫星导航定位系统在单机上协同工作的需求，急切需要设计制造一种可兼容通用工作在北斗一号\二号\三号、GALILEO、GPS这三大全球导航系统的天线，并且该天线还需要易于制造批量生产，成本要求较低，且性能优良。另外，基于天线小型化的需求，自然也希望设计的天线能够满足体积小，重量轻，低剖面，易与载体共形。

基于上述考虑，发明人进一步研究，结合层叠微带天线和多馈电圆极化的工作原理：圆形微带贴片天线是在介质基片上贴一层薄导电圆形贴片，基片的背面是地板。单馈电的方式用简并分离元的方法来移相，驻波比和轴比带宽都比较窄，通常只有10％左右。而多馈电的方式将移相交给馈电网络，辐射片只关注激励极化正交、幅度相等的电场，轴比带宽可以大大提高。多馈电可以分为两馈电、三馈电、四馈电等方式，并且需要不同的馈电网络。

根据上述原理，发明人经过大量研究、测试、仿真，创造性提出了本发明的多模式导航天线，以下对本发明的多模式导航天线进行说明。

本发明实施例的多模式导航天线包括：自下而上设置的多层：馈电网络、接地贴片以及第三辐射贴片、第二辐射贴片、第一辐射贴片，其中，每两层之间设置有介质基板；实质上，馈电网络也有多个，每两个馈电网络之间也设置有介质基板，馈电网络的详细说明在下文，先不赘述。

本发明实施例中，第一辐射贴片基于两馈电金属化过孔馈电，该两馈电金属化过孔贯穿至馈电网络，第一辐射贴片的工作频带范围包括：北斗一号的下行S频段。该两馈电金属化过孔分别从第二辐射贴片内、第三辐射贴片的内环空洞内以及接地贴片内，贯穿但不接触，并分别与第二辐射贴片、第三辐射贴片以及接地贴片保持预设净空距，这样保证了第一辐射贴片的工作频率独立。

本发明实施例中，第二辐射贴片基于四馈电金属化过孔馈电，该四馈电金属化过孔贯穿至馈电网络，第二辐射贴片的工作频带范围包括：GPS的L1频段、北斗一号的上行L频段、北斗二号的B1频段、北斗三号的B1C、B2a频段、GALILEO的E2-L1-E1频段。该四馈电金属化过孔从第三辐射贴片内贯穿但不接触，四馈电金属化过孔与第三辐射贴片贴近，保持实现电磁耦合的合适距离，这样保证了第三辐射贴片可以实现电磁耦合馈电；另外，该四馈电金属化过孔从接地贴片内贯穿但不接触，并与接地贴片保持预设净空距离。

本发明实施例中，第三辐射贴片为圆环形，第三辐射贴片与第二辐射贴片共用四馈电金属化过孔，第三辐射贴片的馈电方式为电磁耦合馈电，第三辐射贴片的工作频带范围包括：GPS的L2频段、GPS的L5频段、GALILEO的E5频段和北斗二号的B2频段。

第三辐射贴片由于是圆环形，因此第一辐射贴片的两馈电金属化过孔可以从圆环形的内环空洞处贯穿第三辐射贴片，并且可以保持与第三辐射贴片之间有预设的净空距离。而第二辐射贴片和接地贴片不是圆环形，没有内环空洞，因此第一辐射贴片的两馈电金属化过孔贯穿第二辐射贴片和接地贴片的对应位置处，需要开设相应的孔洞，才可以保证不与第二辐射贴片和接地贴片接触且保持预设的净空距离。

本发明实施例中，第三辐射贴片的内环均匀设置有第一预设数量金属化过孔，该第一预设数量金属化过孔仅贯穿第二辐射贴片和接地贴片，该第一预设数量金属化过孔实质上将第二辐射贴片、第三辐射贴片以及接地贴片连接起来，通过该第一预设数量金属化过孔，可以调整第二辐射贴片、第三辐射贴片的增益、带宽、轴比以及谐振频率。

为了更清晰的说明本发明的多模式导航天线，参照图1，示出了本发明实施例多模式导航天线的一种优选结构示意图，该多模式导航天线自上至下依次包括：第一辐射贴片1、第一介质基板14、第二辐射贴片2、第二介质基板15、第三辐射贴片3、第三介质基板16、接地贴片4、第四介质基板17、第一馈电网络5、第五介质基板18、第二馈电网络6、第六介质基板19以及第三馈电网络7。

其中，第一馈电网络5、第五介质基板18、第二馈电网络6、第六介质基板19以及第三馈电网络7共同构成馈电网络。第一辐射贴片1设置于第一介质基板14上，例如：可以采用PCB(Printed Circuit Board印制线路板)技术将第一辐射贴片1印制在第一介质基板14上，所有设置于介质基板上的投票或者馈电网络，均可以采用PCB技术印制。当然，也可以采用3D打印技术一体成型的打印多模式导航天线，不过成本相较于PCB技术较高。

本发明实施例中，第一介质基板14位于第一辐射贴片1和第二辐射贴片2之间，其由低介电常数材质构成。第二辐射贴片2设置于第二介质基板15上，第二介质基板15位于第二辐射贴片2和第三辐射贴片3之间，其由高介电常数材质构成；第三辐射贴片3设置于第三介质基板16上，第三介质基板16位于第三辐射贴片3与接地贴片4之间，其也由高介电常数材质构成；接地贴片4设置于第四介质基板17上，第四介质基板17位于接地贴片4与第一馈电网络5之间，其同样由高介电常数材质构成；第五介质基板18、第六介质基板19同样由高介电常数材质构成。本发明实施例中，高介电常数材质的介电常数优选为4.4；低介电常数材质的介电常数优选为2.55。当然，根据多模式导航天线的实际需求，可以选择不同介电常数的介质基板。另外，介质基板的厚度对多模式导航天线的各方面性能也有影响，一种较优的选择为：第一介质基板14的厚度为：1.8mm；第二介质基板15的厚度为：1.5mm；第三介质基板16的厚度为：3.5mm；第四介质基板17、第五介质基板18、第六介质基板19的厚度均为：2.2mm。当然，根据多模式导航天线的实际需求，可以选择不同介质基板的厚度。

第一辐射贴片1的两馈电金属化过孔8直接贯穿至第一馈电网络5，由图2中可以知晓，两馈电金属化过孔8从第三辐射贴片3的内环空洞内贯穿但不接触，同时第二辐射贴片2和接地贴片4对应其贯穿处开设有对应的孔洞，也使其从第二辐射贴片2内和接地贴片4内贯穿但不接触，并分别与第二辐射贴片2、第三辐射贴片3以及接地贴片4保持预设净空距离。

本发明实施例中，第一辐射贴片1优选为正方形，由于其工作的频率高，假若其面积过大，会影响第二辐射贴片2和第三辐射天线3的性能，因此在满足其工作需求的同时，还需要尽可能的保证其面积尽量小。第一辐射贴片1的两个馈点分别位于正方形的垂直相交两个边的中间点上。两个馈点所辐射的TM01和TM10模，在第一辐射贴片1的辐射方向形成两个正交分量，沿顺时针方向看，位于前面的馈点的馈电信号超前于位于后面的馈点的馈电信号的相位为π/2，那么选择适当的激励频率，可以使两个模式同时被激励，从而得到一个右旋圆极化辐射场，再结合两馈电金属化过孔与其它贴片的净空距离、第一介质基板材料的介电常数以及厚度，最终使得第一辐射贴片的工作频带范围满足北斗一号的下行S频段。

本发明实施例中，第二辐射贴片2优选为圆形，第二辐射贴片2的圆形的直径大于第一辐射贴片1的正方形的边长。第二辐射贴片2的四馈电金属化过孔10贯穿至第二馈电网络6，由图2中可以知晓，四馈电金属化过孔10从第三辐射贴片3内贯穿但不接触，四馈电金属化过孔10与第三辐射贴片3贴近，只需保持实现电磁耦合的合适距离即可，不保持预设净空距离；同时接地贴片4对应其贯穿处开设有对应的孔洞，也使其从接地贴片4内贯穿但不接触，并与接地贴片4保持预设净空距离。第二辐射贴片2上的四个馈点分别位于该圆形辐射贴片的两条垂直相交的线上，四个馈点距该圆形辐射贴片的圆心距离均相同。第二辐射贴片2上的四个馈点相位沿顺时针方向依次为0°、-90°、-180°、-270°实现第二辐射贴片2和第三辐射贴片3的右旋圆极化。沿顺时针方向各馈点中，位于前面的馈点的馈电信号超前于位于后面的馈点的馈电信号的相位为π/4，正相对的端口的信号是反相的，因而它们间因相互耦合所引起的交叉极化场将相互抵消，可以很好的抑制高次谐波分量。选择适当的激励频率，结合四馈电金属化过孔与其它贴片的净空距离、与第三辐射贴片的实现电磁耦合的距离、第二介质基板、第三介质基板各自材料的介电常数以及厚度，最终使得第二辐射贴片的工作频带范围满足：GPS的L1频段、北斗一号的上行L频段、北斗二号的B1频段、北斗三号的B1C、B2a频段、GALILEO的E2-L1-E1频段；使得第三辐射贴片的工作频带范围满足：GPS的L2频段、GPS的L5频段、GALILEO的E5频段和北斗二号的B2频段。

本发明实施例中，第三辐射贴片3优选为圆环形，其与第二辐射贴片2共用四馈电金属化过孔10，采用电磁耦合馈电，圆环形辐射贴片的内环均匀设置有第一预设数量金属化过孔9，该第一预设数量金属化过孔9仅贯穿第二辐射贴片2和接地贴片4，第一预设数量优选为16，图2中为了图示的简洁，并没有将所有的金属化过孔9都用数字标识出来，同一虚线标识的指代同一金属化过孔。圆环形辐射贴片的外环半径大于第二辐射贴片2的圆形半径，圆环形辐射贴片的内环半径小于第二辐射贴片2的圆形半径。

本发明实施例中，接地贴片4为圆形，接地贴片4的圆形的半径大于第三辐射贴片3的圆环形的外环半径，接地贴片4的两个接地过孔GND贯穿出最下的第三馈电网络7。第一辐射贴片1、第二辐射贴片2、第三辐射贴片3以及接地贴片4，均以相同几何中心垂直设置。

本发明实施例中，第一馈电网络5包括：第一功分器和第一90°移相器；第二馈电网络6包括：第二功分器、第三功分器、第二90°移相器以及第三90°移相器；第三馈电网络7包括：第四功分器和第一180°移相器。第一功分器的两个输出端与第一辐射贴片1的两馈点之间通过两馈电金属化过孔8连接；第一功分器的输入端通过一个金属化过孔12与外界馈源端口(图1中未示出)连接，第一功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔(即接地过孔GND)与接地贴片4连接。图1中未示出功分器和移相器的具体结构，可以参照目前已知的功分器、移相器结构。

第二功分器、第三功分器在各自输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端分别通过两个金属化过孔(即接地过孔GND)与接地贴片4连接。第二功分器、第三功分器各自的输入端分别为第四功分器的输出端；由于第二馈电网络6与第三馈电网络7之间设置第二预设数量金属化过孔11，第二预设数量可以为2，所以第四功分器的输出端通过2个金属化过孔11将馈电信号分别输出至第二功分器、第三功分器各自的输入端。

第四功分器在其输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端通过一个金属化过孔(即接地过孔GND)与接地贴片4连接；第四功分器的输入端通过一个金属化过孔13与外界馈源端口(图1中未示出)连接，第四功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔(即接地过孔GND)与接地贴片4连接。因为一个功分器只能有两个输出端，而四馈点需要有两个功分器，四个输出端，所以还需要一个第四功分器为第二、第三功分器输出馈电信号，由此可知，第二馈电网络6和第三馈电网络7可以视作一个不可分割的整体，而第一馈电网络5单独为一个整体。

基于上述原理，馈电网络另一种较优的设置方式为：第二馈电网络6与接地贴片4之间为第四介质基板17，第二馈电网络6设置于第五介质基板18上，第二馈电网络6与第三馈电网络7之间为第五介质基板18，第三馈电网络7设置于第六介质基板19上，第三馈电网络7与第一馈电网络5之间为第六介质基板19，即，第一馈电网络5为多模式导通天线的最底层。这样设置方式下，第二辐射贴片2的四馈电金属化过孔10依旧是贯穿至第二馈电网络6，但不需要贯穿第一馈电网络5；第一辐射贴片1的两馈电金属化过孔8将从第二馈电网络6内、第三馈电网络7内贯穿至第一馈电网络5，但均不与第二馈电网络6、第三馈电网络7接触，第一辐射贴片1的两馈电金属化过孔8与第二馈电网络6、第三馈电网络7均保持预设净空距离。

本发明实施例中，第三馈电网络7、第二馈电网络6、第一馈电网络5各自均设置有功分隔离电阻(图1未示出)，由于馈电网络之间有介质基板，因此不在底层的馈电网络的功分隔离电阻没有位置放置，因此，若馈电网络自下而上设置为：第三馈电网络7、第二馈电网络6、第一馈电网络5，则第二馈电网络6、第一馈电网络5各自还需要通过金属化过孔将各自的功分隔离电阻设置在与第三馈电网络7处于同一层的位置，当然，第三馈电网络7因为就是底层，所以其功分隔离电阻可以与第二馈电网络6、第一馈电网络5各自功分隔离电阻设置在一起；可以理解的是，若馈电网络自下而上设置为：第一馈电网络5、第三馈电网络6、第二馈电网络7，则第三馈电网络7、第二馈电网络6各自还需要通过金属化过孔将各自的功分隔离电阻设置在与第一馈电网络5处于同一层的位置，第一馈电网络5的功分隔离电阻可以与第三馈电网络7、第二馈电网络6各自功分隔离电阻设置在一起。

为了证明本发明实施例的多模式导航天线满足工作要求，以下针对上述多模式导航天线的性能进行模拟仿真测试。

参照图2(a)、(b)、(c)，分别示出了本发明实施例的多模式导航天线在各工作频段的回波损耗S11曲线图；其中，f为横坐标，表示天线工作频率，单位：GHz；纵坐标表示S11参数。

图2(a)中特选两个频点m7：f＝1.21GHz和m8：f＝1.18GHz，频点m7对应的S11＝-19.245dB，频点m8对应的S11＝-15.45dB。图2(b)中特选两个频点m5：f＝1.56GHz和m6：f＝1.57GHz，频点m5对应的S11＝-13.058dB，频点m6对应的S11＝-12.133dB。图2(c)中特选一个频点m5：f＝2.49GHz，频点m5对应的S11＝-11.079dB。可以知晓，多模式导航天线在所要求的工作频段上S11参数均小于10dB，其频段覆盖于北斗一、二、三号导航系统、GALILEO导航系统和GPS导航系统，其具有良好的兼容性和通用性，满足实际使用要求。图2中S11参数的数值均为正值，是因为仿真软件仿真出来的数值显示无法为正值，但实际表示的以纵坐标为准，其实质上代表为负值。

参照图3(a)、(b)、(c)、(d)，分别示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.180GHz、1.210GHz、1.570GHz和2.490GHz四个频点的工作频段辐射方向图。图3(a)-图3 (d)中实线表示右旋方向图，虚线表示左旋方向图，图3(a)所示为多模式导航天线在1.180GHz的方向图，可以知晓，3dB波束宽度为81°；图3(b)所示为多模式导航天线在1.210GHz的方向图，可以知晓，3dB波束宽度为71°；图3(c)所示为多模式导航天线在1.570GHz的方向图，可以知晓，3dB波束宽度为87°；图3(d)所示为多模式导航天线在2.490GHz的方向图，可以知晓，3dB波束宽度为84°。由此可知，在各工作频段内，多模式导航天线具有良好的全向辐射特性，特别是2.490GHz辐射方向图，与其他频段类似，其沿Z轴方向的辐射强度最强，几乎未受到位于L波段的低频信号的高次谐波的干扰。本发明的多模式导航天线能得到单方向的宽瓣方向图，同时使得最大辐射方向在平面的法线方向，满足实际使用要求。

参照图4(a)、(b)、(c)、(d)，分别示出了本发明实施例的多模式导航天线在1.180GHz、1.210GHz、1.570GHz和2.490GHz四个频点的工作频段轴比方向图。横坐标为仰角，纵坐标为轴比。图4(a)表示多模式导航天线在1.180GHz的轴比方向图，可以知晓，在-20°～+70°角域AR(轴比)＜3dB，在-55°～+80°角域AR＜6dB；图4(b)表示多模式导航天线在1.210GHz的轴比方向图，可以知晓，在-40°～+40°角域AR＜3dB，在-60°～+80°角域AR＜6dB；图4(c)表示多模式导航天线在1.570GHz的轴比方向图，可以知晓，在-10°～+65°角域AR＜3dB，在-50°～+80°角域AR＜6dB；图4(d)表示多模式导航天线在2.490GHz的轴比方向图，可以知晓，在-10°～+50°角域AR＜3dB，在-75°～+65°角域AR＜6dB。结果表明，在正角域辐射方向内轴比特性较好，大部分的正角域范围内轴比小于3dB；而在大部分的负角域辐射方向内轴比基本小于6dB。本发明的多模式导航天线满足各工作频段下的轴比要求，满足实际使用要求。

综上所述，本发明的多模式导航天线，基于微带天线和多馈电圆极化的理论基础，整体体积小，重量轻，低剖面，易与载体共形；可采用目前通用技术制作，批量生产成本低，易与射频电路集成制作；并且实现了圆极化、多模式，且能得到单方向的宽瓣方向图，同时使得最大辐射方向在平面的法线方向。为微带天线的进一步多模式化提供了更优的设计方向。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法所固有的要素。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种多模式导航天线，其特征在于，所述天线包括：自下而上设置的多层：馈电网络、接地贴片第三辐射贴片、第二辐射贴片、以及第一辐射贴片，其中，每两层之间设置有介质基板；

所述第一辐射贴片基于两馈电金属化过孔馈电，所述两馈电金属化过孔贯穿至所述馈电网络；

所述第二辐射贴片基于四馈电金属化过孔馈电，所述四馈电金属化过孔贯穿至所述馈电网络；

所述第三辐射贴片为圆环形，所述第三辐射贴片与所述第二辐射贴片共用所述四馈电金属化过孔，所述第三辐射贴片的馈电方式为电磁耦合馈电；

其中，所述两馈电金属化过孔分别从所述第二辐射贴片内、所述第三辐射贴片的内环空洞内以及所述接地贴片内，贯穿但不接触，并分别与所述第二辐射贴片、所述第三辐射贴片以及所述接地贴片保持预设净空距离；

所述四馈电金属化过孔从所述第三辐射贴片内贯穿但不接触，所述四馈电金属化过孔与所述第三辐射贴片贴近；

所述四馈电金属化过孔从所述接地贴片内贯穿但不接触，并与所述接地贴片保持所述预设净空距离；

所述第三辐射贴片的内环均匀设置有第一预设数量金属化过孔，所述第一预设数量金属化过孔仅贯穿所述第二辐射贴片和所述接地贴片。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一辐射贴片为正方形，两个馈点分别位于所述正方形的垂直相交两个边的中间点上。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述第二辐射贴片为圆形，四个馈点分别位于该圆形的两条垂直相交的线上，所述四个馈点距该圆形的圆心距离均相同；

所述第二辐射贴片的圆形直径大于所述正方形的边长。

4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述第三辐射贴片的外环半径大于所述第二辐射贴片的半径；

所述接地贴片为圆形，所述接地贴片的半径大于所述第三辐射贴的外环半径。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，第一介质基板位于所述第一辐射贴片和所述第二辐射贴片之间，其由低介电常数材质构成；

第二介质基板位于所述第二辐射贴片和所述第三辐射贴片之间，其由高介电常数材质构成；

第三介质基板位于所述第三辐射贴片与所述接地贴片之间，其由高介电常数材质构成；

第四介质基板位于所述接地贴片与所述馈电网络之间，其由高介电常数材质构成；

其中，所述高介电常数材质的介电常数为4.4；

所述低介电常数材质的介电常数为2.55。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第一辐射贴片、所述第二辐射贴片、所述第三辐射贴片以及所述接地贴片，均以相同几何中心垂直设置。

7.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述第二辐射贴片上的四个馈点相位沿顺时针方向依次为0°、-90°、-180°、-270°实现所述第二辐射贴片和所述第三辐射贴片的右旋圆极化。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈电网络包括：第一馈电网络、第二馈电网络以及第三馈电网络；

所述第二馈电网络与所述第三馈电网络之间设置第二预设数量金属化过孔；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络，则所述两馈电金属化过孔贯穿至所述第一馈电网络，所述四馈电金属化过孔贯穿至所述第二馈电网络，但不与所述第一馈电网络接触，所述四馈电金属化过孔与所述第一馈电网络保持所述预设净空距离；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第一馈电网络、所述第三馈电网络、所述第二馈电网络，则所述四馈电金属化过孔贯穿至所述第二馈电网络，所述两馈电金属化过孔贯穿至所述第一馈电网络，但均不与所述第二馈电网络、所述第三馈电网络接触，所述两馈电金属化过孔与所述第二馈电网络、所述第三馈电网络均保持所述预设净空距离。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述第一馈电网络包括：第一功分器和第一90°移相器；

所述第二馈电网络包括：第二功分器、第三功分器、第二90°移相器以及第三90°移相器；

所述第三馈电网络包括：第四功分器和第一180°移相器；

所述第一功分器的两个输出端与所述第一辐射贴片的两馈点之间通过所述两馈电金属化过孔连接；

所述第一功分器的输入端通过一个金属化过孔与外界馈源端口连接，所述第一功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第二功分器、所述第三功分器在各自输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端分别通过两个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第二功分器、所述第三功分器各自的输入端分别为所述第四功分器的输出端；

所述第四功分器在其输出端并联开路及短路枝节结构，其中短路枝节的末端通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接；

所述第四功分器的输入端通过一个金属化过孔与外界馈源端口连接，所述第四功分器输入端的伴随地端口通过一个金属化过孔与所述接地贴片连接。

10.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述第一馈电网络、所述第二馈电网络以及所述第三馈电网络中，每两个馈电网络之间设置有高介电常数材质构成的介质基板；所述第一馈电网络、所述第二馈电网络以及所述第三馈电网络均设有功分隔离电阻；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络，则所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络各自的功分隔离电阻均与所述第三馈电网络处于同一层；

若所述馈电网络自下而上设置为：所述第一馈电网络、所述第三馈电网络、所述第二馈电网络，则所述第三馈电网络、所述第二馈电网络、所述第一馈电网络各自的功分隔离电阻均与所述第一馈电网络处于同一层。

Images