CN203367480U

CN203367480U - 一种多模多频圆极化卫星定位接收天线

Info

Publication number: CN203367480U
Application number: CN 201320416765
Authority: CN
Inventors: 徐良; 刘国; 张海光; 王毅; 张辉
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2023-07-12

Abstract

本实用新型公开了一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，主要解决现有微带天线采用单辐射贴片无法实现多频点接收的问题。该天线主要由自下而上叠合的三个介质板组成，其中第一介质板（1）上设置有底板电极片（4）和馈电网络（5），第二介质板（2）上设置有两个馈电电极片（6），第三介质板（3）上设置有辐射电极片（7），馈电网络（5）的信号输入端连接到外部定位终端的通信模块中，输出端通过一组探针（8）接到两个馈电电极片（6）上，通过双点耦合将能量传输至辐射电片（7），以实现多频点接收。本实用新型不仅在高低频端都具有较好的对称性和圆极化特性，而且能保证天线的阻抗带宽，同时具有天线结构简单，体积小的优点。

Description

一种多模多频圆极化卫星定位接收天线

技术领域

本实用新型属于无线通讯信号接收设备技术领域，涉及一种多模多频圆极化卫星定位接收天线。

背景技术

传统的卫星定位接收天线有微带天线、十字交叉振子天线、四臂螺旋天线等，微带天线具有体积小、重量轻、低剖面等优点从而应用比较广泛。然而现有的微带天线多为单模或窄带工作，普通单辐射贴片只能实现一个频点接收，不能实现多频点，即只能接收全球定位系统GPS、北斗BD或格洛纳斯GLONASS中的一个卫星系统信号，如果实现多频工作时，需要多个辐射贴片且采用层叠方式，其方向图不是很理想，因而应用受到一定的限制。

微带天线实现圆极化可以采用单点馈电、双点馈电或者多点馈电。而单点馈电一般带宽较窄，普通的单点馈电网络的带宽只有10％左右，宽带效果难以实现，而多点馈电网络较为复杂。

另外，现有的微带天线网络给辐射单元馈电都采用探针直接馈电，这样会引入感抗，如果辐射贴片太厚，感抗太大，难以补偿，这将使天线的阻抗带宽缩小，从而不好匹配，同时采用探针直接馈电也增加了工艺上的复杂度，结构尺寸较大，限制了天线的使用。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，解决现有的卫星微带接收天线采用单辐射贴片时无法实现多频点接收、采用单点馈电时网络带宽窄以及采用探针直接馈电时天线阻抗带宽缩小且工艺结构复杂、尺寸大的缺陷。

为了实现上述目的，本实用新型包括介质板、辐射贴片、馈电网络和探针，其特征在于：

所述介质板，采用自下而上叠合在一起的第一介质板、第二介质板及第三介质板；第一介质板的顶面设置有底板电极片，第二介质板的顶面设置有两个馈电电极片，该第二电极片分别与第一组的两个探针相连，馈电网络的两个信号输出端分别与第一组的两个探针连接，辐射电极片设置在第三介质板的顶面，通过馈电电极片耦合辐射能量；

所述馈电网络，设置在第一介质板的底面，该馈电网络上设置有两组短路、开路组合的匹配枝节，匹配枝节的短路端与第二组的两个探针的一端连接，这两个探针的另一端穿过第一介质板的厚度方向与底板电极片连接。

作为优选，所述的第一介质板和第二介质板采用微带结构。

作为优选，所述的馈电网络的信号输入端通过同轴线缆与外部定位终端的通讯模块连接，同轴线缆的芯线连接在馈电网络的信号输入端上，同轴线缆的外层导体与底板电极片连接。

作为优选，所述的辐射贴片采用圆形贴片。

作为优选，所述的底板电极片覆盖整个第一介质板的顶面。

作为优选，所述的馈电电极片采用矩形片。

作为优选，所述的第一介质板为长方形，第二介质板及第三介质板均为正方形。

本实用新型具有如下优点：

1）本实用新型由于采用从下向上依次叠合在一起的三层介质板，通过耦合辐射能量，可使天线只需要一个馈电接头，通过单辐射贴片就能够实现多频点接收，且在高低频端都具有较好的对称性以及很好的半空间辐射特性，绝对增益＞2.5dBi，高低频轴向轴比小于3dB，具有很好的圆极化特性；

2）本实用新型由于馈电网络上设置有两组短路、开路组合的匹配枝节，且馈电网络的两个信号输出端通过探针分别与馈电电极片连接，这种双点馈电方式和优化的匹配枝节，使网络带宽超过了40%；

3）本实用新型由于辐射贴片与馈电电极片之间采用耦合方式馈电，能够保证天线的阻抗带宽，同时由于将馈电电极片设为两个，这种双点耦合馈电工艺结构简单，而且尺寸小，扩展了天线的使用范围。

附图说明

图1是本实用新型的剖面结构示意图；

图2是本实用新型中的第一介质板顶面结构示意图；

图3是本实用新型中的第一介质板底面结构示意图；

图4是本实用新型中的第二介质板顶面结构示意图；

图5是本实用新型中的第三介质板顶面结构示意图；

图6是本实用新型中的馈电网络工作原理图；

图7是本实用新型中的馈电网络等效电路图；

图8是本实用新型在1176MHZ～1609MHZ频段的驻波比实测图；

图9是本实用新型在f=1176.45MHZ的归一化实测方向图；

图10是本实用新型在f=1609MHZ的归一化实测方向图；

图11是本实用新型天线轴向的轴比实测图。

具体实施方式

参照图1、图2，图3，图4，本实用新型主要由第一介质板1，第二介质板2，第三介质板3，底板电极片4和一组馈电电极片6，馈电网络5，辐射电极片7，和两组探针8和10组成。其中：

底板电极片4设置在第一介质板1的顶部，如图2；

馈电网络5设置在第一介质板1的底面，如图3所示，馈电网络5的信号输入端连接到外部定位终端的通信模块中，馈电网络5的信号输出端分为两路且每一路分别连接第一组探针8，第一组探针8穿过第一介质板1和第二介质板2的厚度方向分别连接到一组馈电电极片6上。本实例的馈电网络5优选但不限于90°宽带功分器，90°宽带功分器包括Wilkinson功分器、90°相位比较器和一组匹配枝节9，其原理如图6所示。其中，输入端口1连接的阻抗为Z₁,匹配枝节阻抗为Z₂,中间阻抗为Z₃,标准阻抗为Z₀=50Ω,

Z₂=2.51Z₀,Z₃=1.24Z₀。Wilkinson功分器和90°相位比较器由连续弯折的微带线构成，在介质板材料确定的条件下，微带线的线宽只取决于微带线的阻抗，可由以下公式换算出线宽w：

Z = \frac{Z_{w}}{\sqrt{ϵ_{eff}} (1.393 + \frac{w}{h} + \frac{2}{3} \ln (\frac{w}{h} + 1.444))}

其中，Z_w=376.8Ω，为自由空间中的波阻抗，

为介质的有效介电常数，h为介质板的厚度。

所述一组匹配枝节9的开路端在介质表面开路，短路端分别与第二组探针10相连，这两个探针10均穿过第一介质板1的厚度方向与底板电极片4连接，其电路原理如图7所示，匹配枝节采用λ/8开路线和λ/8短路线，λ为介质中的有效波长，开路线终端阻抗等效为无穷大，短路线终端阻抗等效为0，根据传输线阻抗特性，可以得到λ/8短路线阻抗为感性，λ/8开路线成容性。通过并联电感电容，可以起到补偿相位的作用，从而实现在整个频段内相位差为90°的要求，实现宽带网络。据奇偶模分析，在满足VSWR＜1.5，相对相位差为2°的情况下，90°相位比较器理论上可以得到最大70％的带宽。

两个馈电电极片6设置在第二介质板2的顶部，通过一组探针8与馈电网络5的信号输出端相连接，如图4所示。

辐射贴片7设置在第三介质板3的顶部，优选为圆形贴片，如图5所示。

所述的第一介质板，第二介质板和第三介质板采用从下向上依次叠合的形式，第一介质板和第二介质板采用微带结构。具体实施时，第一介质板1为介电常数6.3的矩形板材，其长宽比为9:10，优选长、宽分别45mm和50mm，第二介质板2和第三介质板3为介电常数14的正方形板材，其边长为45mm。第一介质板1厚度优选为1mm，第二介质板2厚度优选为6.5mm，第三介质板3厚度优选为10.5mm。第一介质板1的厚度与第二介质板2和第三介质板3的厚度之和比为1:17。底板电极片4覆盖整个第一介质板1顶面，两个馈电电极片6为矩形片，其长、宽分别为13mm和2mm，辐射电极片7为圆形片，其直径为20mm，两个馈电电极片6与辐射电极片7之间采用双点耦合馈电方式。这是因为通过增大天线介质基片的厚度可以展宽频带，然而随着厚度的增加探针的长度也对应增加，过长的探针会引入感抗，从而使天线的阻抗带宽缩小，为了解决这一馈电问题，本实用新型采用双点耦合这种临近耦合的方式进行馈电，使能量从馈电电极片6耦合至辐射电极片7，从而辐射出去。

本实用新型所有电极片及馈电网络5均优选采用银电极片制作。优选采用同轴线缆连接到外部定位终端的通信模块中，同轴线缆的芯线连接在馈电网络5的信号输入端上，同轴线缆的外层导体与底板电极片4连接。

本实用新型的效果可通过以下实测数据说明：

测试1：天线工作频段为1176MHZ～1609MHZ，在微波暗室用安捷伦8753ES测试其驻波比，实测结果如图8所示，从图8可以看出，本实用新型天线在整个频段内的驻波比：VSWR≤2：1。

测试2：在Airlink3D微波暗室测量天线立体方向图，实测结果如图9和图10所示，其中图9为f=1176.45MHZ的归一化实测方向图，图10为f=1609MHZ的归一化实测方向图。由图9和图10方向图可以更直观地看出本实用新型天线在高、低频端都具有较好的对称性，体现了很好的半空间辐射特性，且绝对增益＞2.5dBi。

测试3：在微波暗室，通过反复旋转一线极化喇叭天线一周测试该天线工作在最高中心频点和最低中心频点的半空间圆极化轴比，如图11所示。从图11可见，本实用新型天线的轴向轴比为3db，呈现出很好的圆极化效果。

Claims

1.一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，包括介质板、辐射电极片（7）、馈电网络（5）和探针，其特征在于：

所述介质板，采用自下而上叠合在一起的第一介质板（1）、第二介质板（2）及第三介质板（3）；第一介质板（1）的顶面设置有底板电极片（4），第二介质板（2）的顶面设置有两个馈电电极片（6），该馈电电极片分别与第一组两个探针（8）的一端相连，馈电网络（5）的两个信号输出端分别与第一组两个探针（8）的另一端连接，辐射电极片（7）设置在第三介质板（3）的顶面，通过馈电电极片（6）耦合辐射能量；

所述馈电网络（5），设置在第一介质板（1）的底面，该馈电网络上设置有两组匹配枝节（9），每组匹配枝节（9）的短路端与第二组两个探针（10）的一端连接，这两个探针（10）的另一端穿过第一介质板（1）的厚度方向与底板电极片（4）连接。

2.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，第一介质板（1）和第二介质板（2）采用微带结构。

3.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，馈电网络（5）的信号输入端通过同轴线缆与外部定位终端的通讯模块连接，同轴线缆的芯线连接在馈电网络（5）的信号输入端上，同轴线缆的外层导体与底板电极片（4）连接。

4.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，辐射电极片（7）采用圆形贴片。

5.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，底板电极片（4）覆盖整个第一介质板（1）的顶面。

6.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，馈电电极片（6）采用矩形片。

7.如权利要求1所述的一种多模多频圆极化卫星定位接收天线，其特征在于，第一介质板（1）为长方形，第二介质板（2）及第三介质板（3）均为正方形。