宽频带圆极化宽波束多模卫星导航终端天线

摘要

本发明公开了一种用于对宽频带特性和圆极化特性要求较高场合的宽频带圆极化宽波束多模卫星导航终端天线，由天线本体和馈电网络两部分组成。天线本体包括天线罩(1)、介质支撑、金属辐射贴片(2)、四个L型金属馈电探针(3)和金属反射板(4)；馈电网络包括一分四的微带功分移相网络(5)和金属屏蔽盒；天线本体的四个L型金属馈电探针(3)和天线馈电网络的微带功分移相网络(5)通过金属电连接在一起。本发明的天线可以使微带天线的相对带宽达到40％以上。同时，由于采用介质嵌套的微带天线实现工艺，大大提高了微带天线的低仰角增益，本发明天线5°仰角增益大于－5dBi，且具有良好的机械特性和温度特性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域的天线技术，特别是对宽频带特性和圆极化特性要求较高的如多模卫星导航终端等场合。

背景技术

通常卫星导航天线终端(用户)天线为单频、双频或者三频，且都是针对单一的卫星导航系统，比如国外的GPS、GLONASS、GALILEO以及我国的北斗1号、北斗2号。这类天线的缺点是无法同时接收所有的导航信号，无法满足多模导航接收的需求。但是在实际应用中，用户需要根据实际需求选择上述一种或者多种不同卫星导航系统的导航信号，需要能够同时接收多种模式导航信号的宽频带多模导航终端天线。

美国GPS全球有24颗卫星供全球用户使用，而我国的北斗系统与GPS的卫星轨道不相同，而且数量较少，这就要求终端天线具有较好的低仰角增益。

经检索，与本发明专利内容密切相关的具体如下：专利号：ZL200520079254.3的“有良好低仰角性能的双频宽波束圆极化天线”，公开的天线组成结构为单极子天线的变形，通过增加寄生部分来改善低仰角增益，但该天线频带较窄，只可以用于双频工作。专利申请号：200620078410.9的“三频宽波束圆极化天线”，其组成结构为三层结构，最上面为偶极子天线，下面两层为微带天线，通过这三个天线的组合来实现三频工作，但该天线未提及低仰角特性。专利号：ZL 200520079197.9的“一种改善低仰角性能的双频宽波束圆极化天线”，其组成结构为两组L型单极子天线实现双频工作，并且通过L型单极子来改善低仰角增益。专利号：ZL 200420081255.7的“宽频微带天线”，其采用斜L型探针展宽带宽，相对带宽可达37％，该天线为线极化，由于应用的场合不同，未提及低仰角增益。

另外，一般的微带天线都采用印刷工艺来制作，即在双面覆铜微波介质板双面进行腐蚀印刷操作，去掉无用的铜箔，保留有用部分。由于铜箔很薄(一般为17微米或35微米)，在温度聚变很快且变化范围很大的条件下，铜箔容易剥落，导致天线毁伤。而且印刷工艺实现的微带天线一般很薄，很难实现良好的低仰角增益。

综上所述，能够同时接收多种模式导航信号的宽频带多模导航终端天线未见相关文献报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种相对带宽大于40％，能够覆盖所有卫星导航信号，宽频带范围内圆极化轴比小于1.5dB，提高天线的低仰角增益，能够接收所有导航信号的宽频带圆极化宽波束多模卫星导航终端天线。

本发明的技术解决方案是：宽频带圆极化宽波束多模卫星导航终端天线，由馈电网络和天线本体两部分组成，天线本体包括天线罩、介质支撑、金属辐射贴片、四个L型金属馈电探针和金属反射板；L型金属馈电探针嵌入介质支撑内，金属辐射贴片嵌入介质支撑上面的槽内；介质支撑与外部的天线罩连接为一整体；馈电网络包括微带功分移相网络和金属屏蔽盒，微带功分移相网络采用一分四的微带功分移相网络，四个馈电点依次相位相差90°；金属屏蔽盒位于天线本体金属反射板下方，微带功分移相网络安装在金属屏蔽盒内，在网络总输出口安装SMA接头；天线本体的四个L型金属馈电探针和天线馈电网络的微带功分移相网络通过金属电连接在一起。

所述天线罩和介质支撑采用相同的介质材料，介质材料的相对介电常数ε_r选取范围为1＜ε_r＜20。

所述天线罩和介质支撑为设计为一个整体。

所述金属辐射贴片为圆型，其半径$r=\frac{8.794}{f\sqrt{{ϵ}_r}},$其中f为天线工作频率，单位为GHz，ε_r为介质支撑的相对介电常数，r的单位为厘米。

所述金属辐射贴片为正方形，其边长为$a=\frac{c}{2f\sqrt{{ϵ}_r}},$c为自由空间光速，f为天线工作频率，单位为GHz，ε_r为介质支撑的相对介电常数，边长a的单位为厘米。

所述金属屏蔽盒和天线金属反射板设计为一个整体，金属屏蔽盒上壁充当天线金属反射板，减小了天线体积。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、由于采用新的L型探针馈电技术，本发明的天线可以将微带天线的带宽大大展宽，使相对带宽达到40％以上。微带天线的固有缺点为窄频带，一般相对带宽小于5％。为了展宽微带天线的带宽，本天线采用L型探针馈电技术，因为普通馈电探针表现为电容，通过L型加载，可以增加馈电探针的电感，这样通过优化L型探针的尺寸，使得天线相对带宽展宽。

2、由于本发明采用了介质嵌套的微带天线实现工艺，大大提高了微带天线的低仰角增益，本天线5°仰角增益大于-5dBi。同时具有良好的机械特性和温度特性。微带天线方向图本身具有半球形、宽波束的特点，本发明的天线将金属辐射贴片嵌套在支撑介质内，通过优化金属贴片和介质的尺寸，可以使得微带天线波束更宽，从而获得良好的低仰角增益。

3、本发明采用了四点馈电技术，合理控制馈电网络四个馈电点的幅度和相位不平衡度，使天线具有良好的圆极化特性，天线在频段内主要工作角域圆极化轴比AR＜3dB。四个L型馈电探针对称分布，保证了天线方位面方向图的全向性，具有较小的不圆度。

4、本发明天线的宽频带特性在天线装配完成即可获得，结构简单，无需调试，具有良好的一致性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的侧视图；

图3为本发明的馈电网络结构图；

图4为本发明的驻波比(VSWR)带宽测试图；

图5为本发明的方向图和增益设计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，本发明的宽频带圆极化宽波束多模卫星导航终端天线，包络天线本体和馈电网络两部分。

天线本体包括天线罩及介质支撑1、金属辐射贴片2、L型金属馈电探针3和金属反射板4。本实施例的天线罩及介质支撑1一体化设计，两者为相同的介质材料。介质材料主要关心其工作的环境要求，比如环境温度、振动要求等，最主要的是其电参数相对介电常数ε_r，选取范围为1＜ε_r＜20，1是自由空间的理论最小值，如果相对介电常数大于20，损耗增大，导致天线辐射效率下降，反而降低天线增益。本实施例中选用材料的相对介电常数ε_r＝3.15。

通过在该介质支撑1内部打孔，将L型金属探针3的垂直部分嵌入其中，然后在介质支撑1上面开槽，将L型金属探针3水平部分嵌入，垂直部分和水平部分焊接连接。

在介质支撑1上面开出圆形槽，将金属辐射贴片2嵌入。具体过程为：将5°仰角增益设为优化目标，先保持金属贴片尺寸不变，分别改变介质的厚度和边长，观察增益的变化，将增益最大对应的厚度和边长作为设计结果。本天线5°仰角增益大于-5dBi。

最后将天线罩和介质支撑1连接为一个整体，则天线本体安装完毕。

L型金属探针3的主要参数是其馈电点的位置，本实施例中的馈电点位于阻抗为50欧姆的位置。L型金属探针3垂直部分高度和水平部分高度的具体尺寸选择和优化可以根据设计的频率以及所选用材料试验确定。

金属辐射贴片2的大小主要由天线的工作频率和介电常数而定。本实施例中金属辐射贴片2为圆型，其半径为：

$r=\frac{8.794}{f\sqrt{{ϵ}_r}}$

其中天线工作中心频率f＝1.5GHz，r＝3.3厘米。

本发明的馈电网络包括微带功分移相网络5和金属屏蔽盒4，微带功分移相网络5采用一分四的微带功分移相网络，四个馈电点依次相位相差90°，即四个馈电点的相对相位分别为0°、90°、180°、270°。本实施例中金属屏蔽盒和天线金属反射板4一体化设计，金属屏蔽盒上壁充当天线反射板，从而减小天线体积。将微带功分移相网络5安装在金属屏蔽盒内，在网络总输出口安装SMA接头，则天线馈电网络安装完毕。

金属反射板的作用是抑制天线后瓣辐射，提高前向增益。理论上，金属反射板的尺寸越大越好，但是实际上一般根据实际约束(比如安装尺寸限制)来确定其大小。

将天线本体的四个L型金属馈电探针3和天线馈电网络的微带功分移相网络5通过金属电连接在一起。两者的结构部分通过螺钉连接为一个整体，则整个天线安装完毕，构成一个宽频带、圆极化、宽波束多模卫星导航终端天线。

图4为本实施例的驻波比带宽测试图，其驻波比带宽(VSWR＜2)的带宽为1.02GHz～1.7GHz，相对带宽大于50％，能够满足目前及未来所有卫星导航系统的应用需求。

图5为本实施例的主平面方向图，描述了增益和角度之间的关系，可以看出天线5°仰角增益大于-5dBi。