CN2836258Y - 一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，它涉及天线技术领域。为了解决现有双频GPS天线由于低仰角性能差，无法满足BD－2总体对有两个输出电缆的双频宽波束圆极化用户机天线的要求而设计。它由接地板14、位于接地板上面的馈电网络44和位于接地板下面的馈电网络13和特别设计的8个倒L型单极子5、6、7、8、9、10、11、12组成。该8个倒L型单极子安装在接地板14上，并在同一平面、同心的圆周上以相互间相等的间隔进行配置。8个倒L型单极子分成两组，分别由馈电网络44和13依次按0°、90°、180°、270°相位馈电。该天线能够改善低仰角性能，用作L1 L2双频GPS和双频BD－2或BD－2与GPS兼容的用产机车载天线。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，具体地讲是一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，适合作为L1L2双频GPS车载天线，特别适合作为双频BD-2或BD-2与GPS兼容的用户机车载天线。
背景技术
众所周知，卫星通信都使用圆极化天线，例如美国的GPS、俄罗GLONASS、我国的BD-2卫星导航定位系统都希望移动用户机天线无论是车载、舰载或机载天线，不仅要求尺寸小、生产成本低，而且在双频段还要有好的圆极化特性。虽然有许多双频圆极化微带天线可以作为GPS L1和L2频段的右旋圆极化天线使用，由于全球有24颗卫星供世界各地的用户使用，所以GPS用户并不要求GPS天线有好的低仰角性能。但是有的系统，如我国的BD-2卫星导航定位系统，不仅要求用户机天线在上半空间具有半球型辐射方向图，特别是对低仰角增益提出了苛刻的要求，如要求5°仰角天线的增益不能低于-5dB。现有双频GPS天线由于低仰角性能差，无法满足BD-2总体对有两个输出电缆的双频宽波束圆极化用户机天线的要求。因此，如何改善圆极化天线低仰角性能是当前研究的一个重要课题。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决现有双频GPS天线存在的低仰角性能差，无法满足BD-2卫星导航定位系统总体对有两个输出电缆的双频宽波束圆极化用户机天线要求的问题，提供一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，以满足我国的BD-2卫星导航定位系统对天线要求的需要。
本实用新型的技术方案是这样实现的：
它采用8个倒L型单极子，在结构上进行合理地配置，再用已有的馈电网络技术给予一定的相位进行馈电而构成。具体地说，它是一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，采用8个倒L型单极子，并将它们以相互间相等的间隔配置在同一平面、同心的圆周上。8个倒L型单极子安装在接地板上，分别用位于接地板上面和下面的两个馈电网络给予0°、90°、180°、270°相位馈电。该天线封装在天线罩中，最后输出两根电缆，一根与B3低噪声放大器连接，另一根与GPS低噪声放大器连接。
上述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，所说的以相互间相等的间隔配置在同一平面、同心的圆周上的8个倒L型单极子，每个倒L型单极子均由高度为H的垂直导体和长度为S的水平导体组成，垂直导体与接地板垂直，水平导体与接地板平行，垂直导体和水平导体的几何尺寸H和S之和为中心工作频率所对应波长λ0的四分之一
上述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，所说的以相互间相等的间隔配置在同一平面、同心的圆周上的8个倒L型单极子，以相互间隔45°配置在同一个圆周上，8个倒L型单极子的垂直导体和水平导体均为直线状，水平导体均指向圆心。8个倒L型单极子按相互位置间隔分成两组，分别由两个馈电网络通过垂直导体的下端依次按0°、90°、180°、270°相位馈电。
上述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，所说的以相互间相等的间隔配置在同一平面、同心的圆周上的8个倒L型单极子，分成两组每组4个，分别配置在两个半径不同的圆周上，两个圆周上的倒L型单极子分布的方位相同。位于半径小的圆周上的4个倒L型单极子，其垂直导体和水平导体均为直线状，水平导体指向圆心；位于半径大的圆周上的4个倒L型单极子，其垂直导体为直线状，水平导体为曲线状，曲线的曲率与该圆周的曲率相同且指向与圆周重合。若构成的是左旋圆极化天线，则水平曲线导体顺时针弯曲；若构成的是右旋圆极化天线，则水平曲线导体返时针弯曲。上述的两组倒L型单极子，分别由两个馈电网络通过垂直导体的下端依次按照0°、90°、180°、270°相位馈电。
本实用新型与现有技术相比具有以下的优点：
1、由于本实用新型采用了倒L型单极子的结构，倒L型中垂直导体对低仰角辐射的贡献更为明显，因而改善了该双频圆极化天线的低仰角辐射性能，使合成的垂直面方向图比较宽，因此适合作为BD-2有两根输出电缆的宽波束圆极化天线，或作为BD-2兼容型用户机有两根输出电缆的B3频段和GPS L1频段的宽波束圆极化天线。经计算机仿真计算，对B3频段天线，最大增益为3dBic，5°仰角增益为-3.2dBic，5°以上仰角轴比小于6dB；对GPS L1频段天线，最大增益为5.4dBic，5°仰角增益为-1.3dBic，5°以上仰角轴比小于7dB。
2、由于倒L型单极子以空气为介质，既具有辐射效率高，又具有生产成本低的优点。采用4个倒L型单极子及4个馈电点，虽然具有馈电网络复杂的缺点，但由于采用了4个辐射单元和4个馈电点，不仅使天线结构对称，确保了全向水平面方向图的不圆度小于±1.5dB的要求，而且展宽了天线的阻抗带宽和轴比带宽，克服了普通单馈电圆极化贴片天线阻抗和轴比带宽太窄的缺点，保证了B3频段所需要的带宽，其相对带宽为BW＝1.6％。
附图说明
图1a是本实用新型实施例1的总体结构示意图
图1b是本实用新型实施例1的A-A向剖视图
图2是本实用新型接地板14上面一个频段园极化天线的馈电网络44的示意图
图3是本实用新型接地板14下面一个频段园极化天线的馈电网络13的示意图
图4是本实用新型实施例2的总体结构示意图
图5a是本实用新型实施例1的GPS L1频段计算机仿真的Ф＝0°的垂直面方向图
图5b是本实用新型实施例1的GPS L1频段计算机仿真的Ф＝90°的垂直面方向图
图5c是本实用新型实施例1的GPS L1频段计算机仿真的轴比图
图6a是本实用新型实施例1的B3频段计算机仿真的Ф＝0°的垂直面方向图
图6b是本实用新型实施例1的B3频段计算机仿真的Ф＝90°的垂直面方向图
图6c是本实用新型实施例1的B3频段计算机仿真的轴比图
具体实施方式
参看图1a和图1b，它是本实用新型有两根输出电缆的双频宽波束圆极化天线实施例1的总体结构示意图和其A-A向剖视图，它由位于同一圆周上的依次间隔45°的8个倒L型单极子5、6、7、8、9、10、11、12、接地板14和位于接地板14上面的馈电网络44及位于接地板14下面的馈电网络13组成。每个倒L型单极子都由高度为H的垂直导体42和长度为S的水平导体43组成。垂直导体42和水平导体43均为直线状，它们的几何尺寸H与S之和为中心工作频率所对应波长λ0的四分之一。8个倒L型单极子的垂直导体42均与金属接地板14垂直，其下端50、60、70、80、90、100、110、120经绝缘材料垫片安装在金属接地板14上。8个倒L型单极子的水平导体43均与接地板14平行，并指向圆心。
参看图1a、图1b和图2，其中图2是本实用新型接地板14上面一个频段圆极化天线的馈电网络44的示意图，选取倒L型单极子天线和馈电网络的尺寸，用位置上间隔的5、7、9、11倒L型单极子及馈电网络44组成一个频段，例如GPS L1频段宽波束圆极化天线。馈电网络44是由厚度为h1，相对介电常数为ε1的双面覆铜介质板2的一面，如其上面光刻腐蚀制造而成。馈电网络44由3个2功分器15、16和17组成。为了把由4个倒L型单极子5、7、9、11组成的线极化天线变成圆极化天线，就必须依次给它们馈给0°、90°、180°、270°相位的信号，这就要求馈电网络44具有0°、90°、180°和270°相位关系。为了实现这种相位关系，让每个功分器的两个输出臂带线的长度差为导波波长λg的四分子一来实现90°相差。把2功分器16的一个输出臂末端18的相位作为基准0°，让另外一个输出臂的长度相对基准长度长λg/4，即使点19的相位相对点18落后90°，同样让2功分器17输出臂末端21点的相位比输出臂末端20点落后90°，让2功分器15到功分器17输入端的相位比到功分器16输出端的相位落后180°，即让2功分器15分别到2功分器17和16输入端的路径长度长λg/2，结果分别使2分功器16和17两个输出臂18、19和20、21的信号相位依次为0°、-90°、-180°、-270°。把功分器16及功分器17的两个输出臂18、19和20、21分别与4个倒L型单极子垂直导体的下端50、70、90和110相连接，就完成了把4个倒L型单极子变成圆极化天线的馈电任务。微带馈电网络44的地为接地板14，与8个倒L型单极子的接地板14共用。把SFF-50-3同轴电缆29的一端与馈电网络44相连接，即把同轴线29的内导体与2功分器15的输入端26相连接，同轴线29的外导体与接地板14相连接，同轴线29的另一端与GPS低噪声放大器相连接。
参看图1a、图1b和图3，其中图3是本实用新型接地板14下面一个频段圆极化天线的馈电网络13的示意图。选取倒L型单极子及馈电网络尺寸，即用另外4个在位置上间隔的倒L型单极子6、8、10、12及馈电网络13作为B3频段宽波束圆极化天线。该馈电网络13与馈电网络44类似，它也由3个2功分器35、36、37组成，实现0°、90°、180°、270°相位的方法与馈电网络44相同。虽然B3和GPS一样均为右旋圆极化(RHCP)，但由于馈电网络44和13的位置不一样，44位于接地14的上面，13位于接地板14的下面，为保证B3频段与GPS一样均为RHCP，所以必须把结构形式一样的馈电网络44反转180°变成如图3所示的馈电网络13那样。在图3中，把2功分器36的功分臂22作为基准0°相位，与馈电网络44的原理相同，则2功分器36的另一个功分臂23的相位为-90°，2功分器37的两功分臂24的相位为-180°、25的相位为-270°，把倒L型单极子6、8、10、12垂直导体42的下端60、80、100、120分别与馈电网络13中36和37功分器的功分臂22、23、24和25相连接，就构成了B3频段RHCP天线。馈电网络13是用厚度为h2相对介电常数为εr2的双面覆铜介质板3光刻腐蚀而成。馈电网络13的地与接地板14共用。
为了在B3和GPS双频宽波束圆极化天线接地板下面安装B3和GPS双频的低噪声放大器，在馈电网络13的下面安装了带有边环41的金属板40，且把金属板40与接地板14连接在一起。把SFF-50-3同轴电缆28的一端与馈电网络13相连接，即同轴电缆28的内导体与馈电网络13中功分器35的输入端27相连接，同轴线28的外导体与接地板14相连接，同轴线28内导体的另一端与B3频段低噪声放大器相连接。
参看图4，它是本实用新型实施例2的总体结构示意图，它也是有两根输出电缆的双频宽波束圆极化天线。它仍然由8个倒L型单极子5、6、7、8、9、10、11、12组成。8个倒L型单极子分成两组各4个倒L，如6、8、10、12和5、7、9、11，它们分别以相互间相等的间隔配置在半径为R1和R2的圆周上，两个圆周上的倒L型单极子分布的方位相同，且R1小于R2。馈电网络仍采用44和13，与图2和图3所示相同。若GPS的L1频率比B3的频率高，则实施例2中的GPS宽波束圆极化天线由位于半径为R1圆周上的4个倒L型单极子6、8、10、12和位于接地板14上面的馈电网络44组成，该4个倒L型单极子的水平导体43均指向圆心。若B3频段圆极化天线由位于半径为R2圆周上的4个倒L型单极子5、7、9、11和位于接地板14下面的馈电网络13组成，此时4个倒L型单极子的垂直导体42不变，水平导体43由原来的直线状变为曲线状，曲线的曲率与以半径为R2的圆周的曲率相同且指向与圆周重合。水平导体43的指向与天线的极化形式有关，若构成的是左旋圆极化天线，则曲线水平导体43顺时针沿R2为半径的圆周弯曲，若构成的是右旋圆极化，则曲线水平导体43反时针沿R2为半径的圆周弯曲。倒L型单极子垂直导体42和曲线水平导体43几何尺寸H与S之和为B3频段中心工作频率所对应波长λ0的四分之一。
参看图5a、图5b和图5C，它是本实用新型实施1中，对由4个倒L型单极子5、7、9、11及馈电网络44构成的L1频段GPS天线，进行的计算机仿真计算，分别得到的φ＝0°、φ＝90°的垂直面增益方向图和轴比图。由图看出，天线的最大增益为5.4dBiC，5°仰角增益为-1.3dBiC，5°以上仰角轴比小于7dB。
参看图6a、图6b和图6C，它是本实用新型实施1中，对由4个倒L型单极子6、8、10、12和馈电网络13构成的B3频段宽波束园极化天线，进行的计算机仿真计算，分别得到的φ＝0°、φ＝90°的垂直面增益方向图和轴比图。由图可以看出，天线的最大增益为3dBiC，5°仰角增益为-3.2dBiC，5°以上仰角的轴比小于6dB。
Claims (4)
1、一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，包括接地板(14)、位于接地板上面的馈电网络(44)和位于接地板下面的馈电网络(13)，其特征在于还包括8个倒L型单极子(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)，该8个倒L型单极子安装在接地板(14)上，并在同一平面、同心的圆周上，以相互间相等的间隔进行配置。
2、根据权利要求1所述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，其特征在于8个倒L型单极子均由高度为H的垂直导体(42)和长度为S的水平导体(43)组成，垂直导体(42)与接地板(14)垂直，水平导体(43)与接地板(14)平行，垂直导体和水平导体的几何尺寸H和S之和为中心工作频率所对应波长λ0的四分之一
3、根据权利要求1或权利要求2所述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，其特征在于，在同一平面、同心的圆周上以相互间相等的间隔进行配置的8个倒L型单极子，以相互间隔45°配置在同一个圆周上，8个倒L型单极子的垂直导体(42)和水平导体(43)均为直线状，水平导体均指向圆心，8个倒L型单极子按相互位置间隔分成(5)、(7)、(9)、(11)和(6)、(8)、(10)、(12)两组，分别由馈电网络(44)和馈电网络(13)通过垂直导体(42)的下端依次按0°、90°、180°、270°相位馈电。
4、根据权利要求1或权利要求2所述的一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，其特征在于，在同一平面、同心的圆周上以相互间相等的间隔进行配置的8个倒L型单极子，分成两组每组4个，分别配置在半径为R1和R2的圆周上，两个圆周上的倒L型单极子分布的方位相同，且R1小于R2；位于半径为R1的圆周上的4个倒L型单极子(6)、(8)、(10)、(12)，其垂直导体(42)和水平导体(43)均为直线状，水平导体(43)指向圆心；位于半径为R2圆周上的4个倒L型单极子(5)、(7)、(9)、(11)，其垂直导体(42)为直线状，水平导体(43)为曲线状，曲线的曲率与以半径为R2的圆周的曲率相同且指向与圆周重合，曲线的旋转方向与极化形式有关，若构成的是左旋圆极化天线，则水平曲线导体(43)顺时针弯曲；若构成的是右旋圆极化天线，则水平曲线导体(43)返时针弯曲，R1和R2圆周上的两组倒L型单极子，分别由馈电网络(44)和馈电网络(13)通过垂直导体(42)的下端依次按照0°、90°、180°、270°相位馈电。
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