寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，包括微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)、位于微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)上方的貼片層，在微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片層之間設(shè)置有短路結(jié)構(gòu)。所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用上下兩層印刷版的帶線的形式，使用三個(gè)傳統(tǒng)威爾金森功分器加四分之一波長(zhǎng)帶狀線實(shí)現(xiàn)四個(gè)等幅90度相差輸出。本發(fā)明的有益效果在于：（1）使用新型的小型化技術(shù)降低了GNSS天線整體尺寸，只有70mm*70mm*25mm,，使其適合陣列使用；（2）使用空氣介質(zhì)減輕了GNSS天線的重量，增加了天線的輻射效率；（3）本發(fā)明的GNSS天線擁有很好的寬帶和寬角軸比特性。
【專利說明】寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域，涉及一種多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，尤其是一種寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線。
【背景技術(shù)】:
[0002]隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，許多國(guó)家都建立了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，比如美國(guó)的GPS,俄羅斯的GL0NASS,均已廣泛應(yīng)用。歐洲的Galileo和中國(guó)的北斗Compass也已開通服務(wù)，未來的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為了解決單一系統(tǒng)覆蓋盲區(qū)的問題，將會(huì)采用多種衛(wèi)星導(dǎo)航體質(zhì)兼容的模式。采用這種模式的系統(tǒng)被稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GlobalNavigationSatelliteSystem, GNSS)。天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)至關(guān)重要的組成部分，其直接對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的性能起著決定性作用。因此，寬帶多模導(dǎo)航天線(GNSS天線)成為了研究熱點(diǎn)。與此同時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航也存在著致命弱點(diǎn)一一易受干擾，所以近些年導(dǎo)航自適應(yīng)陣列天線因其抗干擾能力也得到了很大的關(guān)注，導(dǎo)航自適應(yīng)陣列天線采用陣列天線的形式，并通過自適應(yīng)抗干擾算法控制天線陣列權(quán)值，使其方向圖在干擾來向產(chǎn)生零陷，以此加強(qiáng)導(dǎo)航接收信號(hào)信噪比，達(dá)到抗干擾效果。但是在實(shí)際工程當(dāng)中得到的結(jié)果和MATLAB仿真結(jié)果有較大差別，這主要是因?yàn)閮商煸颍?、在自適應(yīng)抗干擾算法MATLAB仿真中，天線陣列單元被假設(shè)為理想全向點(diǎn)源，陣列單元大小被忽略，實(shí)際的天線單元總有一定的體積，它們并不能被假設(shè)成理想點(diǎn)源。2、天線單元之間存在較大互耦使得方向圖和天線端口出現(xiàn)誤差。因此在目前技術(shù)水平下，減小單元尺寸變成了一種有效的解決方法，這種設(shè)計(jì)可以大大減小天線陣列的設(shè)計(jì)難度，使天線單元更接近理想點(diǎn)源，并減小天線單元間的互耦，使實(shí)際工程當(dāng)中自適應(yīng)陣列發(fā)揮其應(yīng)有的抗干擾性能。因此本專利旨在設(shè)計(jì)一種小型化的全頻帶衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)天線單元。
[0003]目前在所發(fā)表的文獻(xiàn)中GNSS天線多使用的是多饋圓極化微帶天線的形式，多饋圓極化天線指的是采用移相器或者功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，使得能量由一個(gè)端口輸入經(jīng)過饋電網(wǎng)絡(luò)后變成四個(gè)等幅90度相差的輸出，從而實(shí)現(xiàn)圓極化電磁波輻射。采用這種形式主要有兩點(diǎn)原因，首先，多饋形式`的圓極化天線相比單饋圓極化天線能獲得和阻抗帶寬相當(dāng)?shù)妮^大的圓極化軸比帶寬；其次，微帶天線雖然阻抗帶寬較窄，但是非常容易實(shí)現(xiàn)小型化，并且通過增加天線高度的方法可以對(duì)帶寬進(jìn)行補(bǔ)償。雖然相比其他形式的GNSS天線(交叉對(duì)稱陣子、四臂螺旋天線)多饋圓極化微帶天線尺寸已經(jīng)有所減小，但是相對(duì)于陣列的使用尺寸依然偏大，例如文獻(xiàn)[1、Z.B.Wang, S.J.Fang, "Dual-BandProbe-FedStackedPatch AntennaforGNSSAppIications, 〃IEEEAntennasWireIessPropag.Lett.，vol.8，pp.100 - 103，2009.]中提出的多饋圓極化微帶GNSS天線，尺寸達(dá)到了100臟*100臟，文獻(xiàn)[2、Χ.Li，L Yang，^NovelDesignofBroadbandStrip LinesFedPatchAntennaforGNSSApplication, "Microwave0ptTechnolLett55 (2013)，2062 - 2066.]提出了一種小型化的GNSS天線，天線尺寸減小到了 80mm*80mm，但是此天線為了獲得足夠的帶寬和小型化，釆用了非常厚(30mm)的fr4材料作為介質(zhì)基片，這使得天線高度過高重量過大，除此之外非常高的天線總高度還導(dǎo)致了嚴(yán)重的表面波，這會(huì)加劇天線陣列之間的互耦從而影響自適應(yīng)陣列天線的性能。所以綜上所述，目前現(xiàn)有的以單一使用為目的的GNSS天線均不能滿足陣列使用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有GNSS天線存在的尺寸過大、介質(zhì)過厚、重量過重、不能使用于陣列等問題，提供一種新型寬帶耦合短路墻加載小型化方法并將此方法應(yīng)用于GNSS天線，提出了一種尺寸更小、重量輕，成本低，低剖面、并且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)(帶寬、軸比帶寬、寬角軸比)均滿足要求的目前為止尺寸最小的GNSS天線。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的:
[0006]一種寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，包括微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)、位于微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)上方的貼片層，在微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片層之間設(shè)置有短路結(jié)構(gòu)。
[0007]所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用上下兩層印刷版的帶線的形式，使用三個(gè)傳統(tǒng)威爾金森功分器加四分之一波長(zhǎng)帶狀線實(shí)現(xiàn)四個(gè)等幅90度相差輸出。
[0008]所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)輸出端口，四個(gè)輸出端口通過L探針對(duì)上半部分的貼片進(jìn)行耦合饋電，四個(gè)L探針的垂直部分使用直徑1.2mm的金屬銅柱，水平金屬部分印刷在上層介質(zhì)板的背面，貼片印刷在上層介質(zhì)板正面。
[0009]所述短路結(jié)構(gòu)分成水平部分和垂直部分，水平部分包括四個(gè)長(zhǎng)方形金屬短路帶，垂直部分包括四個(gè)金屬短路墻，貼片通過四個(gè)短路帶耦合到中間部分的四個(gè)垂直擺放的金屬短路墻上，短路墻短路到天線下半部分的地板。
[0010]本發(fā)明的有益效果在于:
[0011](I)使用新型的小型化技術(shù)降低了 GNSS天線整體尺寸,只有70mm*70mm*25mm，，使其適合陣列使用
[0012](2)使用空氣介質(zhì)減輕了 GNSS天線的重量，增加了天線的輻射效率
[0013](3)仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明，本專利設(shè)計(jì)的GNSS天線擁有很好的寬帶和寬角軸比特性，天線仿真使用的是AnsoftHFSS13仿真軟件有限元算法，天線實(shí)測(cè)使用的是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波暗室中的天線近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)量結(jié)果如附圖中所示。天線的實(shí)測(cè)和仿真駐波比對(duì)比如圖6所示，實(shí)測(cè)和仿真增益圓極化軸比對(duì)比如圖7所示，天線仿真輻射效率如圖8所示，天線仿真和實(shí)測(cè)軸比方向圖對(duì)比如圖9 (a) (b)所示，天線實(shí)測(cè)歸一化方向圖如圖10(a) (b)所示。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0014]圖1為本發(fā)明的帶線饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明的天線俯視圖；
[0016]圖3為本發(fā)明的天線側(cè)視圖；
[0017]圖4為短路帶長(zhǎng)度L2和天線輸入阻抗實(shí)部關(guān)系圖。
[0018]圖5為天線輸入阻抗和耦合縫隙長(zhǎng)度L3關(guān)系圖；
[0019]圖6為天線駐波比仿真實(shí)測(cè)對(duì)比；
[0020]圖7為天線仿真實(shí)測(cè)增益和軸比帶寬對(duì)比圖；[0021]圖8為天線輻射效率仿真結(jié)果圖；
[0022]圖9 (a)為天線XZ面軸比方向圖仿真實(shí)測(cè)對(duì)比圖；
[0023]圖9 (b)天線yz面軸比方向圖仿真實(shí)測(cè)對(duì)比圖；
[0024]圖10 Ca)天線XZ面實(shí)測(cè)歸一化方向圖；
[0025]圖10 (b)天線yz面實(shí)測(cè)歸一化方向圖；
[0026]其中:1為端口一 ；2為端口二 ；3為端口三；4為端口四；5為端口五；6為威爾金森功分器；7為上半部分；8為短路墻；9為短路金屬帶；10為耦合縫隙；11為L(zhǎng)探針；12為貼片；13為空氣介質(zhì)；14為帶線饋電網(wǎng)絡(luò)；15為下半部分。
【具體實(shí)施方式】:
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0028]參見圖1-10，本專利的整體技術(shù)方案思路如下:如果將文獻(xiàn)[2]中多饋圓極化微帶GNSS天線中30mm厚的FR4介質(zhì)板去掉換成20mm厚的空氣介質(zhì)以減輕天線重量和高度，這樣做的后果就是天線的小型化難以實(shí)現(xiàn)，于是本專利發(fā)明了一種寬帶耦合短路加載小型化技術(shù)并將此技術(shù)應(yīng)用于GNSS天線，使GNSS天線的體積進(jìn)一步縮小，于此同時(shí)寬帶的耦合短路加載墻技術(shù)使得天線在天線體積縮小高度減小的情況下保持帶寬滿足GNSS的使用要求。
[0029]本天線的具體方案如下:天線的整體結(jié)構(gòu)如圖2圖3所示，天線分上下兩個(gè)部分。天線下半部分為微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，饋電網(wǎng)絡(luò)采用上下兩層印刷版的帶線的形式，能量從端口 一輸入，使用三個(gè)傳統(tǒng)威爾金森功分器加四分之一波長(zhǎng)帶狀線實(shí)現(xiàn)四個(gè)等幅90度相差輸出(端口二 345)，從而實(shí)現(xiàn)天線圓極化輻射。相比其他文獻(xiàn)中采用的移相器設(shè)計(jì)[I]，本專利的僅僅使用的傳統(tǒng)威爾金森功分器加四分之一波長(zhǎng)帶狀線的結(jié)構(gòu)能節(jié)省更多的空間，雖然帶寬不及寬帶移相器，但是已經(jīng)能達(dá)到GNSS的使用要求。天線上半部分為貼片部分，如圖2所示，天線下部分饋電網(wǎng)絡(luò)四個(gè)輸出端口通過L探針對(duì)上半部分的貼片進(jìn)行耦合饋電，四個(gè)L探針的垂直部分使用直徑1.2mm的金屬銅柱，水平金屬部分印刷在上層介質(zhì)板(Imm厚介電常數(shù)為2.65的F4b)的背面，貼片印刷在上層介質(zhì)板正面。天線的短路結(jié)構(gòu)分成兩個(gè)部分，水平部分的四個(gè)長(zhǎng)方形金屬短路帶和垂直部分的四個(gè)金屬短路墻(如圖2所示)，貼片通過四個(gè)短路帶耦合到中間部分的四個(gè)垂直擺放的金屬短路墻上，短路墻短路到天線下半部分的地板。
[0030]短路加載技術(shù)可以使天線的諧振頻率大大減小從而達(dá)到天線小型化的目的，但是傳統(tǒng)的微帶天線短路加載技術(shù)是通過在貼片和地板直接直接用金屬柱或者金屬墻連接以實(shí)現(xiàn)短路，這樣可以使微帶天線的諧振頻率大大降低，但與此同時(shí)這種短路加載技術(shù)以大大犧牲微帶天線帶寬為代價(jià)的，而GNSS天線又是一種寬帶天線，所以之前并沒有把短路加載技術(shù)應(yīng)用于GNSS天線的小型化當(dāng)中的先例。
[0031 ] 對(duì)微帶天線進(jìn)行短路加載相當(dāng)于相當(dāng)于在貼片和地板之間加載了 一個(gè)電感元件L，若將天線假設(shè)成一個(gè)諧振電路，根據(jù)電路理論加載一個(gè)電感會(huì)使整個(gè)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q增大，品質(zhì)因數(shù)和帶寬成反比，從而使得天線帶寬減小。針對(duì)這個(gè)問題本專利發(fā)明了一種LC串聯(lián)加載的方法，微帶天線貼片和地板直接并不是直接連接而是通過圖2中的縫隙耦合短路，這個(gè)縫隙就相當(dāng)于在原先的L加載中加了一個(gè)電容C從而變成LC串聯(lián)電路加載。根據(jù)電路理論電路電路Q值會(huì)隨著電路中電容C的增大而減小，于是通過這樣耦合短路從而減小電路Q值，從而達(dá)到增大帶寬的目的，并且增大電容C可以同樣使得諧振頻率減小，但是帶寬并沒有隨之減小。
[0032]本專利使用有限元全波仿真軟件AnsoftHFSS13對(duì)天線進(jìn)行了仿真，并對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行了研究，天線輸入阻抗實(shí)部(可以通過輸入阻抗實(shí)部看出天線諧振頻率)和短路帶寬度L2的關(guān)系如圖4所示，通短路帶長(zhǎng)度L3的關(guān)系如圖5所示。對(duì)比兩幅圖可以明顯看出，通過增加短路帶的長(zhǎng)度L3 (相當(dāng)于增加短路加載電感L)，天線諧振頻率減小的同時(shí)帶寬也在減小，但是通過增加短路帶寬度，也就等同于增加縫隙長(zhǎng)度L2 (增加短路加載電容C)，天線諧振頻率減小的同時(shí)帶寬并不會(huì)發(fā)生明顯變化。這樣上述理論得到了驗(yàn)證，這種耦合寬帶短路加載技術(shù)也得到了驗(yàn)證。
[0033]本發(fā)明的GNSS寬帶導(dǎo)航天線具體尺寸標(biāo)注如圖2圖3所示，具體數(shù)值如下:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，其特征在于:包括微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)、位于微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)上方的貼片層，在微帶天線饋電網(wǎng)絡(luò)和貼片層之間設(shè)置有短路結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，其特征在于:所述饋電網(wǎng)絡(luò)采用上下兩層印刷版的帶線的形式，使用三個(gè)傳統(tǒng)威爾金森功分器加四分之一波長(zhǎng)帶狀線實(shí)現(xiàn)四個(gè)等幅90度相差輸出。
3.如權(quán)利要求2所述寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，其特征在于:所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括四個(gè)輸出端口，四個(gè)輸出端口通過L探針對(duì)上半部分的貼片進(jìn)行耦合饋電，四個(gè)L探針的垂直部分使用直徑1.2mm的金屬銅柱，水平金屬部分印刷在上層介質(zhì)板的背面，貼片印刷在上層介質(zhì)板正面。
4.如權(quán)利要求1所述寬頻帶、小型化、寬波束多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線，其特征在于:所述短路結(jié)構(gòu)分成水平部分和垂直部分，水平部分包括四個(gè)長(zhǎng)方形金屬短路帶，垂直部分包括四個(gè)金屬短路墻，貼片通過四個(gè)短路帶耦合到中間部分的四個(gè)垂直擺放的金屬短路墻上，短路墻短路到天線下半部分的地板。
【文檔編號(hào)】H01Q9/30GK103840269SQ201310738702
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】孫超, 鄭會(huì)利, 栗曦, 丁昱智 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)