CN115036677B - 一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线 - Google Patents

一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线，包括：槽耦合金属辐射片、接地金属臂、枝节加载圆环馈线、圆形介质基板、缝隙加载圆形地板、圆柱形金属背腔和尼龙支撑柱。所述槽耦合金属辐射片放置在圆形介质基板上方、与圆形介质基板间设置有空气间隙；所述槽耦合金属辐射片包括矩形槽加载圆形金属片和四个尺寸相同的“T”型耦合寄生金属片。通过设置开口圆环馈线和十字型缝隙的宽度和长度，可为天线提供顺序旋转的孔径耦合馈电，激发右旋圆极化波。通过设置“T”型耦合寄生金属片和接地金属臂，可使两个正交的电场分量在宽角度范围内满足幅度近似相等，相位相差90°，从而实现较宽的轴比波束和较低的轴比值。

Description

一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线
技术领域
本发明涉及一种导航天线领域，尤其涉及一种宽角圆极化双模北斗导航天线。
背景技术
中国北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制的全球卫星导航系统，在B1频段可以提供基本导航服务，工作频段为1561.098±2.046MHz。2017年起，北斗与GPS的民用信号实现了射频兼容。因此，同时覆盖两个模式的导航天线设计具有实际价值。
为提高导航系统定位精度，抑制多径干扰，终端天线需要具有较宽的3dB轴比波束宽度和较大的前后比。因此，近些年有部分文章报道了展宽轴比波束的技术。部分文章采用开槽技术，将槽缝等效为偶极子，利用偶极子宽角度的辐射模式获得了较宽的轴比波束宽度，但该方法对槽的尺寸精度要求高，加工难度较大；部分文章在贴片内加载短路针，增大天线辐射尺寸，进而展宽轴比波束宽度，但该方法增大了天线的原有尺寸，不满足小型化的发展趋势；部分文章引入寄生单元，同样改善了轴比波束宽度。以上文章均可以展宽轴比波束宽度，但报道的单馈天线的轴比波束宽度均未超过250°，存在改进空间。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于包括：槽耦合金属辐射片、接地金属臂、枝节加载圆环馈线、圆形介质基板、缝隙加载圆形地板、圆柱形金属背腔和尼龙支撑柱；
所述槽耦合金属辐射片放置在圆形介质基板上方，与圆形介质基板间设置有空气间隙；所述槽耦合金属辐射片包括矩形槽加载圆形金属片和四个尺寸相同的“T”型耦合寄生金属片；所述矩形槽加载圆形金属片的半径为0.12λ0，其中λ0是1.561GHz对应的波长；所述矩形槽加载圆形金属片和“T”型耦合寄生金属片的间隙较小；所述四个“T”型耦合寄生金属片按0°、90°、180°、270°顺序水平放置；
所述接地金属臂2有4对，每对接地金属臂包括尺寸相同的第一矩形金属臂和第二矩形金属臂；所述接地金属臂的上端与“T”型耦合寄生金属片连接、所述接地金属臂的下端与缝隙加载圆形地板连接；
所述枝节加载圆环馈线放置在圆形介质基板上表面，包括传输线、开路枝节和开口圆环馈线；所述传输线的特性阻抗大于50欧姆；所述传输线的一端与50欧姆SMA接头连接、另一端与开口圆环馈线连接；所述开路枝节的宽度与传输线的宽度不同，所述开路枝节的一端与传输线连接、另一端开路；所述开口圆环馈线的开口角度为20°；所述开口圆环馈线的圆心与矩形槽加载圆形金属片的圆心在垂直方向上对齐；所述开口圆环馈线的特性阻抗大于50欧姆；
所述缝隙加载圆形地板放置在圆形介质基板下表面，包括圆形金属贴片和十字型缝隙；所述十字型缝隙的中心圆形金属贴片的中心重合；所述十字型缝隙的两个臂与水平面的夹角分别为45°和135°；
所述圆柱形金属背腔放置在圆形介质基板的下方，包括圆形金属反射板和柱面金属反射壁；所述柱面金属反射壁放置在圆形金属反射板外沿；所述圆形金属反射板和缝隙加载圆形地板的距离为1/4λ0。
所述尼龙支撑柱包括短尼龙支撑柱和长尼龙支撑柱；所述短尼龙支撑柱的上端与矩形槽加载圆形金属片的中心相连，短尼龙支撑柱的下端与圆形介质基板中心相连；所述长尼龙支撑柱上端与圆形介质基板外沿连接，长尼龙支撑柱下端与圆形金属反射板外沿连接；所述长尼龙支撑柱有4个，分别位于十字型缝隙四个臂的延长线位置；
进一步地，所述槽耦合金属辐射片和接地金属臂均采用铜片制作；通过调整槽耦合金属辐射片与圆形介质基板的间距，可以改善天线的阻抗带宽。。
进一步地，通过设置开口圆环馈线和十字型缝隙的宽度和长度，可为天线提供顺序旋转的孔径耦合馈电，激发右旋圆极化波。
进一步地，通过设置“T”型耦合寄生金属片和接地金属臂，可使两个正交的电场分量在宽角度范围内满足幅度近似相等，相位相差90°，从而实现较宽的轴比波束和较低的轴比值。
进一步地，通过设置柱面金属反射壁的高度，可以提高天线的前后比并扩展了3-dB轴比波束宽度。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线，具有如下优点：(1)天线可同时接收BDS和GPS导航信号，具体地，3dB轴比带宽为1.532～1.584GHz(3.2％)，同时覆盖了BDS B1频段(1.561GHz)和GPS L1频段(1.575GHz)，实现双模工作。(2)天线在工作频段处具有较宽的3dB轴比波束宽度和较大的前后比，具体地，在1.561GHz和1.575GHz频点处的3dB轴比波束宽度分别为280°和282°，在1.561GHz和1.575GHz频点处的前后比分别为28.6dB和29.0dB。(3)天线具有高增益特性，具体地，在1.561GHz和1.575GHz频点处的圆极化增益分别为7.30dBic和7.28dBic，且在工作频带内圆极化增益均大于7dBic。
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是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线3D结构图；
图2是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线结构分解图；
图3是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线S参数曲线；
图4是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线轴比与增益曲线；
图5是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线在1.561GHz处的3dB轴比波束宽度图；
图6是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线在1.575GHz处的3dB轴比波束宽度图；
图7是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线在1.561GHz处的归一化辐射方向性图；
图8是本发明一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线在1.575GHz处的归一化辐射方向性图。
1、槽耦合金属辐射片，11、矩形槽加载圆形金属片，12、“T”型耦合寄生金属片，2、接地金属臂，21、第一矩形金属臂，22、第二矩形金属臂，3、枝节加载圆环馈线，31、传输线，32、开路枝节，33、开口圆环馈线，4、圆形介质基板，5、缝隙加载圆形地板，51、圆形金属贴片，52、十字型缝隙，6、圆柱形金属背腔，61、圆形金属反射板，62、柱面金属反射壁，7，尼龙支撑柱，71、短尼龙支撑柱，72、长尼龙支撑柱。
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和图2所示的一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线，具有较大的前后比和较高的增益，有效抑制多径信号并提高系统接收导航信号的能力，实现高精度定位功能，该结构具体包括：槽耦合金属辐射片1、接地金属臂2、枝节加载圆环馈线3、圆形介质基板4、缝隙加载圆形地板5、圆柱形金属背腔6和尼龙支撑柱7；所述槽耦合金属辐射片1放置在圆形介质基板4上方8mm处，包括矩形槽加载圆形金属片11和四个尺寸相同的“T”型耦合寄生金属片12；所述矩形槽加载圆形金属片11的半径为0.12λ0，其中λ0是1.561GHz对应的波长；所述矩形槽加载圆形金属片11和“T”型耦合寄生金属片12的间隙为1mm；所述四个“T”型耦合寄生金属片12，按0°、90°、180°、270°顺序水平放置；所述接地金属臂2有4对，每对接地金属臂2包括尺寸相同的第一矩形金属臂21和第二矩形金属臂22，第一矩形金属臂21和第二矩形金属臂22长度为0.07λ0；所述接地金属臂2的上端与“T”型耦合寄生金属片12连接、所述接地金属臂2的下端与缝隙加载圆形地板5连接。
所述枝节加载圆环馈线3放置在圆形介质基板4上表面，包括传输线31、开路枝节32和开口圆环馈线33；所述传输线31的特性阻抗为78.3Ω，电长度为103.4°；所述传输线31的一端与50欧姆SMA接头连接、另一端与开口圆环馈线33连接；所述宽度与传输线31的宽度不同，开路枝节32的特性阻抗为71.5Ω，电长度为30.4°；所述开路枝节的一端与传输线31连接，另一端开路；所述开口圆环馈线33的开口角度为20°；所述开口圆环馈线33的圆心与矩形槽加载圆形金属片11的圆心在垂直方向上对齐；所述开口圆环馈线33的特性阻抗为51.8Ω；所述缝隙加载圆形地板5放置在圆形介质基板4下表面，包括圆形金属贴片51和十字型缝隙52；所述十字型缝隙52的中心圆形金属贴片51的中心重合；所述十字型缝隙52的两个臂长度均为0.20λ0，且与水平面的夹角分别为45°和135°。
所述圆柱形金属背腔6放置在圆形介质板4的下方，包括圆形金属反射板61和柱面金属反射壁62；所述圆形金属反射板61的半径为0.25λ0；所述柱面金属反射壁62放置在圆形金属反射板61外沿，柱面金属反射壁62高0.11λ0；所述圆形金属反射板61和缝隙加载圆形地板5的距离为0.25λ0；所述尼龙支撑柱7包括短尼龙支撑柱71和长尼龙支撑柱72；所述短尼龙支撑柱71的上端与矩形槽加载圆形金属片11的中心相连，短尼龙支撑柱71的下端与圆形介质基板4中心相连；所述长尼龙支撑柱72上端与圆形介质基板4外沿连接，长尼龙支撑柱72下端与圆形金属反射板61外沿连接；所述长尼龙支撑柱72有4个，分别位于十字型缝隙52四个臂的延长线位置。
所述槽耦合金属辐射片1和接地金属臂2均采用铜片制作；通过调整槽耦合金属辐射片1与圆形介质基板4的间距，可以改善天线的阻抗带宽；通过设置开口圆环馈线33和十字型缝隙52的宽度和长度，可为天线提供顺序旋转的孔径耦合馈电，激发右旋圆极化波；通过设置“T”型耦合寄生金属片12和接地金属臂2，可使两个正交的电场分量在宽角度范围内满足幅度近似相等，相位相差90°，从而实现较宽的轴比波束和较低的轴比值；通过设置柱面金属反射壁62的高度，可以提高天线的前后比并扩展了3-dB轴比波束宽度。
本发明采用的技术指标如下：
工作频点：1.561GHz，1.575GHz
极化方式：RHCP
工作频点处3dB轴比波束宽度：>250°
工作频点处前后比：>20dB
工作频点处增益：>5dBic
工作频点处轴比带宽：>2％(覆盖BDS B1和GPS L1频段)
工作频点处-10dB阻抗带宽：包含上述轴比带宽
图3和图4分别为天线的S参数曲线和轴比带宽与增益带宽曲线。结果表明，天线的10dB阻抗带宽为1.36GHz～1.64GHz，相对带宽为17.9％，3dB轴比带宽为1.532GHz～1.584GHz，相对带宽为3.2％，同时覆盖了BDS B1频段(1.561GHz)和GPS L1频段(1.575GHz)；天线在1.561GHz和1.575GHz频点处的圆极化增益分别为7.30dBic和7.28dBic，且在对应轴比带宽内，天线的圆极化增益均大于7dBic。说明天线在接收北斗导航信号时可对GPS导航信号进行兼容，实现双模工作，提高了定位精度；同时说明天线具有高增益特性，增强了对导航信号的接收能力，提高了导航系统的整体性能。
图5和图6分别是天线在1.561GHz和1.575GHz处的3dB轴比波束宽度曲线，为保证天线在各方向上均保持宽轴比波束特性，分别从
Figure GDA0004201144680000062
Figure GDA0004201144680000063
四个方向进行观察。结果表明，天线在1.561GHz处在/>
Figure GDA0004201144680000061
Figure GDA0004201144680000064
四个方向的3dB轴比波束宽度分别为280.2°,288.4°,285.3°和288.6°，天线在1.575GHz处在/>
Figure GDA0004201144680000065
四个方向的3dB轴比波束宽度分别为282.3°,291.8°,293.5°和284.1°。说明天线在1.561GHz和1.575GHz处的3dB轴比波束宽度均大于280°，可在较宽角度内接收导航信号并抑制多径干扰，可以在船舶，无人机等摇晃剧烈的环境下稳定接收导航信号。
图7和图8分别是天线在1.561GHz和1.575GHz处的归一化辐射方向图。结果表明天线进行右旋圆极化辐射，且在1.561GHz和1.575GHz处的前后比分别为28.6dB和29.0dB。说明天线具有较大的前后比，可有效抑制多径信号的干扰。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有抗多径性能的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于包括：槽耦合金属辐射片(1)、接地金属臂(2)、枝节加载圆环馈线(3)、圆形介质基板(4)、缝隙加载圆形地板(5)、圆柱形金属背腔(6)和尼龙支撑柱(7)，所述槽耦合金属辐射片(1)放置在圆形介质基板(4)的上方、与圆形介质基板(4)间设置有空气间隙；所述槽耦合金属辐射片(1)包括矩形槽加载圆形金属片(11)和四个尺寸相同的T型耦合寄生金属片(12)；
所述接地金属臂(2)有四对，每对接地金属臂(2)包括尺寸相同的第一矩形金属臂(21)和第二矩形金属臂(22)；所述接地金属臂(2)的上端与T型耦合寄生金属片(12)相连接、所述接地金属臂(2)的下端与缝隙加载圆形地板(5)相连接；
所述枝节加载圆环馈线(3)放置在圆形介质基板(4)上表面，所述枝节加载圆环馈线(3)包括传输线(31)、开路枝节(32)和开口圆环馈线(33)；所述传输线(31)的特性阻抗大于50欧姆；所述传输线(31)的一端与50欧姆SMA接头连接、另一端与开口圆环馈线(33)连接；所述开路枝节(32)的宽度与传输线(31)的宽度不同，所述开路枝节(32)的一端与传输线(31)连接、另一端开路；所述开口圆环馈线(33)的圆心与矩形槽加载圆形金属片(11)的圆心在垂直方向上对齐；所述开口圆环馈线(33)的特性阻抗大于50欧姆；
所述缝隙加载圆形地板(5)放置在圆形介质基板(4)下表面，所述缝隙加载圆形地板(5)包括圆形金属贴片(51)和十字型缝隙(52)；所述十字型缝隙(52)的中心圆形金属贴片(51)的中心重合；
所述圆柱形金属背腔(6)放置在圆形介质基板(4)的下方，所述圆柱形金属背腔(6)包括圆形金属反射板(61)和柱面金属反射壁(62)；所述柱面金属反射壁(62)放置在圆形金属反射板(61)外沿；所述圆形金属反射板(61)和缝隙加载圆形地板(5)的距离为1/4λ0；
所述尼龙支撑柱(7)包括短尼龙支撑柱(71)和长尼龙支撑柱(72)；所述短尼龙支撑柱(71)的上端与矩形槽加载圆形金属片(11)的中心相连接，所述短尼龙支撑柱(71)的下端与圆形介质基板(4)中心相连接；所述长尼龙支撑柱(72)上端与圆形介质基板(4)外沿连接，所述长尼龙支撑柱(72)下端与圆形金属反射板(61)外沿连接。
2.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：所述槽耦合金属辐射片(1)和接地金属臂(2)均采用铜片制作；通过调整槽耦合金属辐射片(1)与圆形介质基板(4)的间距改善天线的阻抗带宽。
3.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：通过设置开口圆环馈线(33)和十字型缝隙(52)的宽度和长度为天线提供顺序旋转的孔径耦合馈电、激发右旋圆极化波。
4.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：通过设置T型耦合寄生金属片(12)和接地金属臂(2)，使两个正交的电场分量在宽角度范围内满足幅度近似相等、相位相差90°，从而实现较宽的轴比波束和较低的轴比值。
5.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：通过设置柱面金属反射壁(62)的高度提高天线的前后比并扩展了3-dB轴比波束宽度。
6.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：所述开口圆环馈线(33)的开口角度为20°，所述十字型缝隙(52)的两个臂与水平面的夹角分别为45°和135°。
7.根据权利要求1所述的宽角圆极化双模北斗导航天线，其特征在于：所述长尼龙支撑柱(72)有4个，分别位于十字型缝隙(52)四个臂的延长线位置。
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