專利名稱：一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，適用于精密衛(wèi)星、無人機、飛艇等飛行器掩星探測及其他高精度探測系統(tǒng)，屬于高精度探測天線技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
20世紀80年代末，國外開始研究一種新的基于GPS衛(wèi)星無線電信號探測地球大氣環(huán)境的方法GPS無線電信號在穿越地球大氣層時受到大氣折射影響，傳播路徑發(fā)生彎曲， 導致用戶接收機接收到的信號相位產(chǎn)生延遲，通過測量這些延遲量來獲取大氣中溫度、壓力、濕度、電子密度等信息，這種方法被稱為無線電掩星測量技術(shù)，為了提高掩星探測反演精度，提出了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)的探測系統(tǒng)。作為掩星探測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，高精度掩星天線技術(shù)已成為當前急需解決的問題。掩星天線是一種寬波束天線，要求天線在寬角域范圍內(nèi)具有較高的增益及穩(wěn)定的相位中心。目前掩星天線多采用波束賦形天線陣形式，通過對天線陣列各單元輸入信號相位的變化來對天線進行波束賦形，達到展寬波束的目的。這種天線的優(yōu)點是可通過天線各陣元相位變化實現(xiàn)各種特殊形狀方向圖覆蓋，但是波束賦形天線陣需要對天線各陣元實現(xiàn)不同相位的信號激勵，導致天線饋電網(wǎng)絡復雜，天線陣在寬角域范圍內(nèi)相位變化較大，相位中心穩(wěn)定性差，需要進行精確地相位中心標定，并且由于移相網(wǎng)絡帶寬較窄，大大限制了天線的整體帶寬，不能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及GL0NASS的頻率范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)及加工工藝簡單，適用于衛(wèi)星、無人機、飛艇等飛行器。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，包括反射腔、輻射下貼片、輻射上貼片、四個饋電探針套筒、四個饋電探針內(nèi)芯、第一支撐柱和第二支撐柱；所述饋電探針套筒又包括金屬座和填充物，金屬座的一端為金屬柱，另一端為金屬圓柱腔體，填充物將金屬座的圓柱腔體填滿；所述反射腔是一個底面封閉的金屬空心圓柱腔體，所述第二支撐柱是一個金屬圓柱體，并且所述第二支撐柱安裝在反射腔的內(nèi)腔底面圓心位置，所述第二支撐柱的底面圓心與所述反射腔的內(nèi)腔底面圓心對齊，所述輻射下貼片為圓形金屬薄片且安裝在所述第二支撐柱頂部，輻射下貼片與第二支撐柱同心，輻射下貼片的高度低于所述反射腔的腔體高度；所述第一支撐柱是一個金屬圓柱體且安裝在所述輻射下貼片上，與所述輻射下貼片同心；所述輻射上貼片為圓形金屬薄片且安裝在所述第一支撐柱頂部，與第一支撐柱同心且所述輻射上貼片高于所述反射腔的腔體高度；四個金屬座一端的金屬柱固定在所述反射腔的內(nèi)腔底面上且以所述反射腔的內(nèi)
3腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上，金屬座的圓柱腔體內(nèi)的填充物與輻射下貼片接觸；所述四個饋電探針內(nèi)芯垂直穿過輻射下貼片并插到填充物之中且所述饋電探針內(nèi)芯與金屬座之間電隔離；饋電探針內(nèi)芯與輻射下貼片之間固定安裝，且饋電探針內(nèi)芯與所述金屬座同心。所述輻射上貼片的直徑在68mm到72mm之間，厚度在Imm到3mm之間。所述輻射下貼片的直徑在99mm到IOlmm之間，厚度在Imm到3mm之間。所述第一支撐柱的高度在14mm到16mm之間。所述第二支撐柱的高度在15mm到17mm之間。所述饋電探針套筒均勻分布的圓周，直徑在44mm到48mm之間，所述饋電探針套筒的金屬座的一端的金屬柱高度在7mm到9mm之間，金屬座的圓柱腔體部分高度在5mm到7mm 之間。所述饋電探針內(nèi)芯直徑在1.5mm到3mm之間，長度8mm到IOmm之間。所述填充物采用聚酰亞胺。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是1、本發(fā)明采用套筒結(jié)構(gòu)金屬饋電探針對輻射下貼片進行耦合饋電，與傳統(tǒng)探針直接連接饋電相比，由于套筒金屬饋電探針的電容耦合作用，改善了輸入端口的阻抗特性，經(jīng)過實驗驗證，這種方式可將天線工作帶寬拓展30% 35%，增加天線的頻率覆蓋范圍，能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及GL0NASS的頻率范圍；2、星上器件的首要要求就是高可靠性，以往設計的耦合饋電方式在結(jié)構(gòu)設計上不夠穩(wěn)定，本發(fā)明將饋電探針穿過并固定在輻射下貼片上，其下端插入填充物聚酰亞胺之內(nèi)， 聚酰亞胺的絕緣性使得饋電探針和金屬饋電探針套筒電隔離，從而使饋電探針起到饋電耦合的作用，同時，使用聚酰亞胺還對饋電探針起到了固定作用，防止饋電探針擺動范圍過大而導致?lián)p壞，而又使得饋電探針在載體振動時可以有彈性形變的空間，大大增強了天線的可靠性。3、通過四點饋電形式形成圓極化，與現(xiàn)有的一點自圓極化和兩點饋電形成圓極化相比，四點饋電形式結(jié)構(gòu)對稱，能夠有效抑制非對稱饋電結(jié)構(gòu)帶來的不必要的高次模式，提高天線單元傳輸主模的純度，在拓展天線單元匹配特性的同時，有效的改善天線單元在寬角域范圍內(nèi)的輻射特性，提高天線單元在寬角域范圍內(nèi)的軸比特性及相位中心特性，為天線單元組陣后的整體增益、相位中心穩(wěn)定性等特性奠下良好基礎。4、本發(fā)明中為了保證天線的工作頻率范圍足夠覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及 GL0NASS的頻率范圍，輻射貼片采用圓形金屬片的形式，并且根據(jù)天線工作頻率，輻射上貼片的直徑在68mm到72mm之間，輻射下貼片的直徑在99mm到IOlmm之間?？紤]到天線結(jié)構(gòu)的可靠性，輻射貼片的厚度設計為Imm到3mm之間，輻射貼片之間采用金屬圓柱連接并固定在反射腔的圓心位置，第二支撐柱的高度在15mm到17mm之間，第一支撐柱的高度在14mm 到16mm之間，并且在金屬支撐柱與貼片連接部分加大半徑保證結(jié)構(gòu)的可靠性。四個饋電探針套筒均勻分布在直徑為44mm到46mm之間的圓周上來實現(xiàn)四點饋電，其支撐部分高度在在7mm到9mm之間，套筒部分長度在5mm到7mm之間，四個金屬饋電探針內(nèi)芯直徑在1.5mm到3mm之間，長度在8mm到IOmm之間，以上的設計可以增強套筒形式的饋電探針的電容耦合特性，使得天線的工作頻率進一步拓展。為了進一步改善天線寬角域特性，通過適當增加反射腔和輻射上貼片的高度降低饋電探針間的耦合度，將第一支撐柱6的高度在14mm到16mm之間，改善工作狀態(tài)下天線端口反射系數(shù)。


圖1是本發(fā)明多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線的陣列布局示意圖；圖2是本發(fā)明多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線單元的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線套筒形饋電探針布局示意圖；圖4是本發(fā)明多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線套筒形饋電探針剖面示意圖。
具體實施例方式20世紀80年代末，國外開始研究一種新的基于GPS衛(wèi)星無線電信號探測地球大氣環(huán)境的方法無線電掩星測量技術(shù)。為了提高掩星探測反演精度，提出了基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System，該系統(tǒng)包括GPS (Global Positioning System，美國導航衛(wèi)星系統(tǒng))、BD_2 (北斗，中國導航衛(wèi)星系統(tǒng))、GALILEO (歐洲導航衛(wèi)星系統(tǒng))以及GL0NASS(俄羅斯導航衛(wèi)星系統(tǒng)))的探測系統(tǒng)。作為掩星探測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件， 高精度掩星天線技術(shù)已成為當前急需解決的問題。本發(fā)明提供了一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，改善了輸入端口的阻抗特性， 可將天線工作帶寬拓展30% 35%，增加天線的頻率覆蓋范圍，能夠充分覆蓋GPS、BD-2、 GALILEO及GL0NASS的頻率范圍，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，本發(fā)明多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線主要包括反射腔1、輻射下貼片2、輻射上貼片3、四個金屬饋電探針套筒4及其內(nèi)芯5、 第一支撐柱6和第二支撐柱7，饋電探針套筒4又包括金屬座42和填充物41，如圖4所示， 金屬座42的一端為金屬柱，另一端為金屬圓柱腔體，填充物41將金屬座42的圓柱腔體填
、/斗倆。天線輻射片由上下兩層構(gòu)成(輻射下貼片2和輻射上貼片幻，下層通過套筒形探針耦合饋電，上層通過下層輻射片耦合饋電，中間靠金屬柱支撐；反射腔為圓形碗狀結(jié)構(gòu) (底面封閉的金屬空心圓柱腔體)，高度低于上層輻射片。反射腔1是一個底面封閉的金屬空心圓柱腔體，直徑150mm到160mm左右，高度35 到40mm之間，通過適當提高反射腔1的高度可以降低饋電探針間的耦合度，改善工作狀態(tài)下天線端口反射系數(shù)，提高天線低仰角方向增益。第二支撐柱7是一個金屬圓柱體，直徑在8mm到IOmm之間，尺寸的選擇需要結(jié)合天線整體結(jié)構(gòu)可靠性，第二支撐柱7通過螺紋或?qū)щ娔z連接在反射腔1的內(nèi)腔底面圓心位置，且其底面圓心與反射腔1的內(nèi)腔底面圓心對齊，其高度在15mm到17mm之間，該尺寸的選擇除保證天線工作頻率外，還要保證四個套筒形金屬饋電探針的電容耦合饋電。四個金屬饋電探針套筒4垂直安裝在反射腔1的內(nèi)腔底面上且以反射腔1的內(nèi)腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上。與傳統(tǒng)探針直接連接饋電相比，由于套筒形金屬饋電探針的電容耦合作用，改善了輸入端口的阻抗特性，經(jīng)過實驗驗證，這種方式可將天線工作帶寬拓展至30 % 35 %，增加天線的頻率覆蓋范圍。四個套筒形饋電探針布局如圖3所示，四饋電探針沿直徑為44mm到46mm之間的圓周均勻分布，四個套筒形金屬饋電探針剖面如圖4所示，四個金屬座42 —端的金屬柱固定在所述反射腔1的內(nèi)腔底面上且以所述反射腔1的內(nèi)腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上，金屬座42的圓柱腔體內(nèi)的填充物41與輻射下貼片2接觸；所述四個饋電探針內(nèi)芯5垂直穿過輻射下貼片2并插到填充物41之中且所述饋電探針內(nèi)芯5與金屬座42之間電隔離；饋電探針內(nèi)芯5與輻射下貼片2之間固定安裝，且饋電探針內(nèi)芯5與所述金屬座42同心，支撐部分(金屬座42—端的金屬柱)高度在在7mm 到9mm之間，套筒(金屬座42—端的圓柱腔體)部分高度在5mm到7mm之間，四個饋電探針內(nèi)芯5直徑在1. 5mm到3mm之間，長度在8mm到IOmm之間，金屬饋電探針套筒4與其內(nèi)芯 5之間采用聚酰亞胺固定并電隔離。本發(fā)明采用四點饋電方式，并且饋入信號幅度相等，相位依次相差90度，實現(xiàn)右旋圓極化，與現(xiàn)有的一點自圓極化和兩點饋電形成圓極化相比， 由于饋電結(jié)構(gòu)的對稱性，可有效抑制不必要的高次模式的傳輸，提高天線傳輸主模的純度， 降低天線交叉極化，在拓展天線匹配特性的同時，有效的改善天線在寬角域范圍內(nèi)的輻射特性，提高天線在寬角域范圍內(nèi)的軸比及相位中心特性，為天線單元組陣后的整體增益、相位中心穩(wěn)定性等特性奠下良好基礎。饋入信號可通過一分四功分饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)，其輸出端通過金屬芯針與四個饋電探針套筒4直接焊接，并通過螺釘固定在反射腔1背部腔內(nèi)，形成封閉的天線系統(tǒng)，減小空間輻照等環(huán)境對介質(zhì)材料的影響。輻射下貼片2為直徑在99mm到IOlmm之間、厚度Imm 3mm左右的圓形金屬薄片且通過螺紋或?qū)щ娔z連接在第二支撐柱7頂部，與第二支撐柱7同心，輻射下貼片2高于套筒金屬饋電探針套筒4的高度且低于反射腔1的腔體高度。輻射上貼片3為直徑在68mm 到72mm之間、厚度Imm 3mm左右圓形金屬薄片且通過螺紋或?qū)щ娔z連接在第一支撐柱6 頂部，輻射上貼片3與第一支撐柱6同心且輻射上貼片3高于反射腔1的腔體高度。第一支撐柱6是一個與第二支撐柱7直徑相同的金屬圓柱體且通過螺紋或?qū)щ娔z連接在輻射下貼片2上，第一支撐柱6與輻射下貼片2同心，第一支撐柱6的高度在14mm到 16mm之間。支撐柱與輻射貼片連接部分采用倒角過渡增大接觸面積，增加結(jié)構(gòu)的可靠性。輻射貼片采用圓形金屬片。輻射上貼片的應用可展寬工作頻帶，提高方向性，改善端口間的隔離度。下貼片主要實現(xiàn)饋電。為了實現(xiàn)天線增益覆蓋，可以將本發(fā)明天線組成天線1X4線性陣列，如圖1所示， 相鄰天線之間的間距相同且均為0. 5 0. 8倍的天線工作波長。與波束賦形陣列相比，該陣列結(jié)構(gòu)簡單，并且4個單元等幅同相饋電，降低了饋電網(wǎng)絡的復雜程度，能夠更好的保證天線寬頻帶特性。由于天線單元穩(wěn)定的寬角域相位中心特性，保證了陣列在一定角域范圍內(nèi)的相位中心特性。實施例1、反射腔1的腔體高度為35mm，腔體直徑160mm ；2、輻射上貼片3的直徑為68mm，厚度2mm，輻射上貼片上留有四個圓孔沿同一圓周均勻分布，圓孔直徑為6mm，輻射下貼片2的直徑為106mm，厚度2mm ；3、第一支撐柱6的高度為15mm，直徑10mm，第二支撐柱7的高度為16mm，直徑 IOmm ；第一支撐柱6和第二支撐柱7通過螺紋連接，輻射上貼片3和輻射下貼片2通過第一支撐柱6和第二支撐柱7螺紋壓接；4、四個饋電探針套筒4均勻分布的圓周，直徑46mm，四個饋電探針套筒4支撐柱
6(金屬座42 —端的金屬柱)為高度8mm，直徑3mm的金屬圓柱，套筒(金屬座42 —端的圓柱腔體)部分為高度6mm、內(nèi)徑6mm、外徑8mm金屬圓柱腔體，四個饋電探針內(nèi)芯5直徑2mm， 高度8. 5mm ；5、陣列為1X4線陣，各單元間距相等，間距170mm。經(jīng)過大量仿真及加工測試，該實施例天線能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及 GL0NASS的頻率范圍，并且在線陣方向-35度到+35度角域范圍內(nèi)，垂直線陣方向_8度到 +8度相位中心穩(wěn)定度< 2mm，增益高于10dB，軸比小于3dB，該性能優(yōu)于現(xiàn)有掩星天線。
權(quán)利要求
1.一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于包括反射腔(1)、輻射下貼片O)、 輻射上貼片(3)、四個饋電探針套筒G)、四個饋電探針內(nèi)芯(5)、第一支撐柱(6)和第二支撐柱(7)；所述饋電探針套筒(4)又包括金屬座0 和填充物(41)，金屬座0 的一端為金屬柱，另一端為金屬圓柱腔體，填充物Gl)將金屬座0 的圓柱腔體填滿；所述反射腔(1)是一個底面封閉的金屬空心圓柱腔體，所述第二支撐柱(7)是一個金屬圓柱體，并且所述第二支撐柱(7)安裝在反射腔(1)的內(nèi)腔底面圓心位置，所述第二支撐柱(7)的底面圓心與所述反射腔(1)的內(nèi)腔底面圓心對齊，所述輻射下貼片( 為圓形金屬薄片且安裝在所述第二支撐柱(7)頂部，輻射下貼片( 與第二支撐柱(7)同心，輻射下貼片( 的高度低于所述反射腔(1)的腔體高度；所述第一支撐柱(6)是一個金屬圓柱體且安裝在所述輻射下貼片( 上，與所述輻射下貼片( 同心；所述輻射上貼片( 為圓形金屬薄片且安裝在所述第一支撐柱(6)頂部，與第一支撐柱(6)同心且所述輻射上貼片(3) 高于所述反射腔(1)的腔體高度；四個金屬座0 —端的金屬柱固定在所述反射腔(1)的內(nèi)腔底面上且以所述反射腔 (1)的內(nèi)腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上，金屬座G2)的圓柱腔體內(nèi)的填充物(41)與輻射下貼片(2)接觸；所述四個饋電探針內(nèi)芯( 垂直穿過輻射下貼片( 并插到填充物Gl)之中且所述饋電探針內(nèi)芯(5)與金屬座G2)之間電隔離；饋電探針內(nèi)芯(5)與輻射下貼片(2)之間固定安裝，且饋電探針內(nèi)芯(5)與所述金屬座02)同心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述輻射上貼片⑶的直徑在68mm到72mm之間，厚度在Imm到3mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述輻射下貼片⑵的直徑在99mm到IOlmm之間，厚度在Imm到3mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述第一支撐柱(6)的高度在14mm到16mm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述第二支撐柱(7)的高度在15mm到17mm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述饋電探針套筒(4)均勻分布的圓周，直徑在44mm到48mm之間，所述饋電探針套筒的金屬座(42)的一端的金屬柱高度在7mm到9mm之間，金屬座02)的圓柱腔體部分高度在5mm到 7mm之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述饋電探針內(nèi)芯( 直徑在1. 5mm到3mm之間，長度8mm到IOmm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，其特征在于所述填充物 (41)采用聚酰亞胺。
全文摘要
一種多模相位中心穩(wěn)定的掩星天線，包括反射腔、輻射下貼片、輻射上貼片、四個饋電探針套筒、四個饋電探針內(nèi)芯和兩個支撐柱；饋電探針套筒又包括金屬座和填充物，金屬座的一端為金屬柱，另一端為金屬圓柱腔體，填充物將金屬座的圓柱腔體填滿。本發(fā)明通過套筒形探針四點耦合饋電，并且探針在一圓周上均勻分布；天線輻射片由上下兩層構(gòu)成，下層通過套筒形探針耦合饋電，上層通過下層輻射片耦合饋電，中間靠金屬柱支撐；反射腔為圓形碗狀結(jié)構(gòu)，高度低于上層輻射片。本發(fā)明性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)及工藝簡單可靠，頻帶寬，滿足GPS、BD-2、GALILEO、GLONASS使用，具有較寬的波束覆蓋及較高的增益，相位中心穩(wěn)定，軸比性能優(yōu)異，適用于精密掩星及其他高精度探測系統(tǒng)。
文檔編號H01Q19/17GK102509845SQ20111028864
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者劉寧民, 李時良, 李景貴, 池卿華, 郭文嘉, 閻凱 申請人:航天恒星科技有限公司