CN2919563Y - 三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三频宽波束圆极化天线。该天线由不同波段的圆极化天线依次构成工作频率自上而下由高到低的共轴三层结构，其上层采用正交下倾曲线偶极子天线(2)，中层和下层采用分别采用微带天线(3)和(4)。正交下倾曲线偶极子为对称长臂(11、12)与对称短臂(13、14)的正交下倾曲线振子，这些振子依次相差90°；中层微带天线(3)由环状辐射贴片(5)与环状接地板(6)组成，该环状辐射贴片与圆极化天线(2)的接地板共用；下层微带天线(4)由方形环状辐射贴片(7)和方形环状接地板(8)组成，并采用同轴线与馈电网络双馈结构。具有较好的低仰角性能和轮廓低、容易批量生产的优点，适用于BD－2双模用户机车、船载天线使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及天线技术领域，具体地说是一种三频宽波束圆极化天线，适合作为L1、L2、L5波段的全球定位系统GPS天线，特别适合作为北斗二代BD-2双模用户机车载，舰载天线。
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，俄罗斯的GLONASS，我国的BD-2卫星导航定位系统都希望移动用户机天线，如车载，舰载和机载不仅尺寸小，生产成本低，而且在三频段要有好的圆极化特性。有资料报导，GPS除了原来使用1575MHz的L1波段和1227MHz的L2两个波段外，还计划使用第3个L波段，即1176MHz的L5波段，但至今还没有发射，因而几乎看不到有关能在L1、L2、L5三波段工作的GPS天线的报导，目前仅有适合在L1、L2波段工作的GPS天线或适合作为其他波段但低仰角性能差的双频圆极化天线。
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。但现有的双频GPS天线由于低仰角性能差，无法满足BD-2需要三频宽波束圆极化天线的要求。
实用新型的内容
本实用新型的目的是克服现有双频GPS天线低仰角性能差的不足，提供一种三频宽波束圆极化天线，以满足BD-2卫星导航定位系统的要求。
实现本实用新型的技术方案是由不同波段的圆极化天线，依次构成工作频率自上而下由高到低的共轴层叠结构，且上层采用正交下倾曲线偶极子圆极化天线，中层和下层分别采用两个微带圆极化天线。
上述三频宽波束圆极化天线，其中所述的上层正交下倾曲线偶极子，采用两个对称长臂与两个对称短臂相交下倾的曲线振子组成，这些正交曲线振子依次相差90°。
上述三频宽波束圆极化天线，其中所述的中层微带圆极化天线由带有两个切角的环状辐射贴片与环状接地板组成，该方形环状辐射贴片兼作上层圆极化天线的接地板。
上述三频宽波束圆极化天线，其中下层微带圆极化天线由方形环状辐射贴片和方形环状接地板组成，并采用同轴线和馈电网络双馈结构。
上述三频圆极化天线，其中方形环状接地板下面固定有整体三频圆极化天线的圆锥型接地板，该圆锥型接地板的下面附加有带腔接地板。
上述三频圆极化天线，其特征在于所述的中层和下层微带圆极化天线中设有方孔，分别构成偶极子圆极化天线和中层圆极化同轴电缆的通道。
本实用新型与现有的圆极化天线相比具有以下优点：
(1)本实用新型由于采用层叠结构的三频圆极化天线，可以实现BD-2需要三波段的天线要求；
(2)本实用新型由于上层频段圆极化天线采用正交下倾曲线偶极子，中层和下层两个频段的圆极化天线采用有表面波功能的微带圆极化天线结构，不仅展宽了整个天线的垂直面方向图，提高了低仰角辐射性能，而且具有轮廓低，重量轻，便于批量加工生产的优点。
(3)本实用新型中由于采用将最上层圆极化天线的接地板作为中层微带天线的辐射贴片，简化了天线结构。
(4)本实用新型由于具有三个彼此隔离的端口，为用户提供了更方便更灵活的接口。
附图说明
图1是本实用新型的整体横截面结构图
图2是本实用新型的上层圆极化天线结构图
图3a是本实用新型中层圆极化天线的结构图
图3b是图3a的俯视图
图4a是本实用新型下层圆极化天线的结构图
图4b是图4a的俯视图
图5是本实用新型上层圆极化天线的垂直面实测增益方向图
图6是本实用新型中层圆极化天线的垂直面实测增益方向图
图7是本实用新型下层圆极化天线的垂直面实测增益方向图
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的内容。
参见图1，本实用新型由上、中、下三层三频圆极化天线组成，其中上层圆极化天线2主要由正交下倾曲线偶极子和同轴电缆15组成；中层圆极化天线3采用环状辐射贴片5和环状接地板6及同轴电缆20组成，该方形环状辐射贴片5兼作上层正交下倾曲线偶极子的接地板，辐射贴片5中设有方孔23，环状接地板6中设有方孔24；下层圆极化天线4采用带方形环状辐射贴片7与方形环状接地板8及馈电网络组成，方形环状辐射贴片7的中心设有方孔29，方形环状接地板8中设有方孔30。这些方孔23、24、29、30分别构成偶极子圆极化天线2和微带圆极化天线3的同轴电缆通道。中层圆极化天线3与下层圆极化天线4之间夹有一层介质板42，将这两个圆极化天线分开。下层圆极化天线4的方形环状接地板8的下面固定有三频圆极化天线的圆锥型接地板36，以其进一步改善天线的低仰角辐射性能。圆锥型接地板36的下面，附加了一个带腔的接地板40，该带腔的接地板上固定有功放及低噪声放大器，射频电缆15、20、37均穿过该接地板40分别与各自的圆极化天线相连接，其中同轴电缆20通过方孔29、30与中层微带圆极化天线3相连，同轴电缆15通过方孔24、23与上层正交下倾曲线偶极子圆极化天线2相连。该中层微带圆极化天线3和下层微带圆极化天线4均采用相对介电常数εr比较高，厚度较厚的双面覆铜板25、31用印刷电路技术一次加工而成。在下层双面覆铜板31的下面有一层介质板35，在该介质板35上加工有馈电网络32，该馈电网络32与同轴电缆37构成对下层微带圆极化天线4的双馈结构。
在本实用新型的整体结构中，上层圆极化天线2的工作频率最高，如S波段右旋圆极化天线RHCP；下层工作频率最低，如B3波段的双馈方形环状贴片天线；中层工作波段介于S波段与B3波段之间，如为L波段左旋圆极化天线LHCP，该L波段的波长比B3波段短，但比S波段的波长长。同时在加工制造天线的过程中，采用了面积比所需要方形环状贴片面积更大的方形介质板。由于在天线周围介质板中存在的表面波的作用，要使天线的垂直面方向图半功率波束宽度展宽，不仅对上层正交偶极子采用下倾曲线，且对曲线的曲率进行了优化设计，改善了低仰角辐射性能。
经计算机仿真计算，对S波段的RHCP天线，在Φ＝0°和Φ＝90°平面，天线的最大增益为6.5dBic，5°仰角增益为-3.2dBic，5°以上仰角轴比小于5dB。对L波段左旋圆极化LHCP天线，在Φ＝0°和Φ＝90°平面天线的最大增益为6dBic，5°仰角增益为-2.7dBic，5°以上仰角轴比小于5dB。对B3波段RHCP天线，在Φ＝0°和Φ＝90°平面天线的最大增益为5.5dBic，5°仰角增益为-2.5dBic，5°以上仰角轴比小于6dB。以上计算机仿真是三频段层叠在一起，考虑了相互影响的结果。由仿真结果看出，天线的电气性能基本满足用户机对天线的要求。
参照图2，本实用新型的上层圆极化天线2采用自相位结构，辐射单元为两对正交下倾曲线偶极子，其中长臂11、12为谐振长度大于谐振频率的一对长下倾曲线偶极子，电抗呈感性，相位落后45°；短臂13、14为谐振长度低于谐振频率的一对短下倾曲线偶极子，电抗呈容性，相位超前45°，由短阵子到长阵子相位差90°。由于同轴线内外导体之间具有0°、180°的固有相差，正交曲线下倾偶极子辐射单元11、12、13、14依次相差90°，满足了产生圆极化天线的条件。为了平衡馈电，在同轴线15外导体16对称位置上开两个λ/4长细缝17和18，把同轴线15的外导体16分成左右两部分。用带缝隙17的巴伦同轴线15馈电，长、短下倾曲线偶极子的一臂11、13与同轴线外导体16裂缝的左半边相连，长、短下倾曲线振子偶极子的另一臂12、14与同轴线15的内导体19均与同轴线外导体16裂缝的右半边相连。正交下倾曲线偶极子的接地板与L波段的辐射单元共用，均为带有两个切角22、23的方形环状贴片5。为了改善低仰角辐射性能，不仅使正交偶极子下倾变成曲线，且对曲线的曲率及离接地板5的高度进行了优化设计。
参照图3，本实用新型的中层L波段单馈圆极化微带天线3主要由辐射贴片5、接地板6和馈电同轴线20组成。辐射贴片5是带有两个切角21、22的方形环状贴片，中心是方孔23。接地板6是环状贴片，该接地板6的中心设有方孔24。辐射贴片5和接地板贴片6是采用相对介电常数εr较高，厚度较厚的双面覆铜介质板25用印刷电路技术一次加工而成。同轴线20的内导体26穿过介质板25的介质层直接与辐射贴片5相连在连接点27，同轴线20的外导体28与接地板贴片6相连完成单馈。由于贴片5带有两个切角21、22而产生了兼并模，故可调整切角的大小及馈电位置，利用单馈就能实现圆极化。
参照图4，本实用新型最下层B3频段圆极化微带贴片天线4由方形环状辐射贴片7和方形环状接地板8组成，环状辐射贴片7的中心设有方孔29，方形环状接地板8中设有方孔30，该方形环状辐射贴片7和方形环状接地板8是用相对介电常数εr1较高、厚度较厚的双面覆铜介质板31用印刷电路技术一次加工而成，且用相差90°的馈电网络32进行双馈，探针与辐射贴片7在两正交位置相连接。该馈电网络32位于方形环状接地板8下面，并用相对介电常数εr2的单面覆铜介质板35加工成印刷电路，其形式为3dB电桥，该3dB电桥的两个输出端口引出的探针位置分别为33、34。同轴线37的外导体与馈电网络32的方形环状接地板8相连，同轴线37的内导体与馈电网络32的输入端口相连。本实用新型的测试结果如图5、图6、图7所示。
由图5可以看出：本实用新型上层圆极化天线的最大增益为5.15dB，3dB波瓣宽度达100°，5°仰角天线的增益最低为-2.01dB。
由图6可以看出：本实用新型中层圆极化天线的最大增益为1.79dB，3dB波瓣宽度达190°，5°仰角天线的增益最低为-0.45dB；
由图7可以看出：本实用新型下层圆极化天线的最大增益为4.67dB，3dB波瓣宽度达105°，5°仰角天线的增益最低为-2.44dB。
可见，本实用新型满足了我国BD-2卫星导航定位系统用户机天线所要求的在上半空间具有半球形辐射方向图，特别是满足了对低仰角提出的苛刻要求，即5°仰角天线的增益不能低于-5dB，而本实用新型5°仰角天线的增益实测最低为-2.44dB。
Claims (6)
1.一种三频宽波束圆极化天线，包括不同波段的圆极化天线，其特征在于：这些不同波段的圆极化天线依次构成工作频率自上而下由高到低的共轴层叠结构，且上层采用正交下倾曲线偶极子圆极化天线(2)，中层和下层采用分别采用微带圆极化天线(3)和(4)。
2.根据权利要求1所述的三频宽波束圆极化天线，其特征在于所述的正交下倾曲线偶极子圆极化天线(2)，采用对称长臂(11、12)与对称短臂(13、14)的两对正交下倾曲线振子组成，这些正交曲线振子(11、12、13、14)依次相差90°。
3.根据权利要求1所述的三频宽波束圆极化天线，其特征在于所述的中层微带圆极化天线(3)由带有两个切角(22、23)的环状辐射贴片(5)与环状接地板(6)组成，该方形环状辐射贴片(5)兼作圆极化天线(2)的接地板。
4.根据权利要求1所述的三频宽波束圆极化天线，其特征在于所述的下层微带圆极化天线(4)由方形环状辐射贴片(7)和方形环状接地板(8)组成，并采用同轴线(37)和馈电网络(32)的双馈结构。
5.根据权利要求4所述的三频圆极化天线，其特征在于所述的方形环状接地板(8)下面固定有整体三频圆极化天线的圆锥型接地板(36)，该圆锥型接地板的下面附加有带腔接地板(40)。
6.根据权利要求3或4所述的三频圆极化天线，其特征在于所述的微带圆极化天线(3)中设有方孔(23)和(24)，构成偶极子圆极化天线(2)同轴电缆(15)的通道；微带天线(4)中设有方孔(29)和(30)，构成微带天线(3)同轴电缆(20)的通道。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |