覆蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶微型微帶天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，確切的說是涉及一種覆蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系的微型天線。
【背景技術(shù)】
[0002]全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，被稱作人類在太空里的“眼睛”，哪個(gè)國家擁有這雙“眼睛”，就掌握了太空戰(zhàn)制勝的“王牌”，軍事的需要和重要的商業(yè)利益，迫使世界強(qiáng)國在這一領(lǐng)域的競爭日趨激烈。
[0003]全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全時(shí)空、全天侯、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)地為地面、海洋以及空中各種載體提供位置、速度、時(shí)間等資訊服務(wù)的能力，具有對(duì)目標(biāo)定位、導(dǎo)航、監(jiān)管和管理的精準(zhǔn)功能，全球通訊、航天、探礦、救援、國防安全等各領(lǐng)域都離不開它。但是，限于各國的國力和科技水平，目前具有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其導(dǎo)航服務(wù)能力的國家，只有美國、俄羅斯、中國和歐盟。
[0004]美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)接收型定位系統(tǒng)，只轉(zhuǎn)播信號(hào)，用戶接收就可定位，不受容量限制。整套系統(tǒng)包括繞地球運(yùn)行的24顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星能連續(xù)發(fā)射一定頻率的無線電信號(hào)，只要持有便攜式信號(hào)接收機(jī)，無論身處陸地、海上還是空中都能收到衛(wèi)星發(fā)出的特定信號(hào)。接收機(jī)中的電腦只要選取4顆或4顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行分析，就能確定接收機(jī)持有者的所在位置。然而，由于GPS系統(tǒng)的24顆衛(wèi)星分布在6條橢圓軌道上，每顆衛(wèi)星信號(hào)頻率和調(diào)制方式相同，不同衛(wèi)星信號(hào)靠不同偽碼區(qū)分，其存在的技術(shù)弱點(diǎn)是，衛(wèi)星反饋到地面接收機(jī)的GPS信號(hào)很弱時(shí)，受到干擾會(huì)使接收機(jī)無法正常工作，導(dǎo)致導(dǎo)航精度降低，這種衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)中低瑋度地區(qū)的用戶比較便利。
[0005]俄羅斯的GL0NASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前有21顆工作衛(wèi)星分布在3條軌道上，還有3顆備用衛(wèi)星，較適用高瑋度的用戶，與GPS相比其定位精度、隱蔽性稍差，但是其抗干擾性明顯強(qiáng)于GPS。由于其用戶端設(shè)備發(fā)展嚴(yán)重滯后，其全球的民用和商業(yè)用戶受到限制。
[0006]歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之后，歐盟計(jì)劃建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由30顆衛(wèi)星組成。系統(tǒng)的典型功能是信號(hào)中繼，即向用戶接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸是通過特殊聯(lián)系方式或其他系統(tǒng)的中繼來實(shí)現(xiàn)，并且“伽利略”接收機(jī)將可以接受GPS、GL0NASS兩大系統(tǒng)的信號(hào)。
[0007]中國的BDS北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美、俄之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆塗止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。根據(jù)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，己于2012年具備了覆蓋亞太地區(qū)的全天侯、全天時(shí)為各類運(yùn)載工具提供定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，以及短報(bào)文通信能力。并將于2020年左右建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0008]目前在用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)的終端天線，都是針對(duì)不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)配備的不同的接收機(jī)天線。這種導(dǎo)航系統(tǒng)使用的天線多為圓極化微帶天線，其缺點(diǎn)是:(I)微帶天線工作頻帶的瓶頸問題。由于微帶天線是諧振式天線工作頻帶比較窄，一般只能做到10%左右，不能覆蓋目前四個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻點(diǎn)。若突破微帶天線存在的工作頻帶窄的技術(shù)瓶頸，不得不采用多天線疊層結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有在用的星導(dǎo)航系統(tǒng)終端接收機(jī)窄帶微帶天線，為結(jié)構(gòu)繁雜的具有疊層結(jié)構(gòu)的雙天線盤，其盤面直徑為φ 146_、盤高60mm，工作頻率的低端帶寬為1.2GHz-l.3GHz，高端帶寬為1.5GHZ_1.65GHz。雙天線盤頻帶太窄，解決不了拓寬頻帶遇到的瓶頸問題，還造成天線結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、尺寸過大、產(chǎn)生互耦干擾。(2)天線的小型化、微型化問題。目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端使用的微帶天線尺寸過大，很難裝在手持機(jī)、小型板卡以及對(duì)尺寸重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于:針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接受終端的接收機(jī)天線，工作頻帶窄、尺寸過大、不能兼容接收GPS、GL0NASS、北斗及伽利略四套衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的技術(shù)難題，為用戶提供一種微小型、重量輕、方便攜帶，收接頻帶在1150-1700MHZ，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)一機(jī)一天線覆蓋全球GPS、GL0NASS、北斗、伽利略四套衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端接收機(jī)的新型寬帶微型微帶天線。可廣泛應(yīng)用于:森林防火、登山旅游、軌道交通、高鐵運(yùn)輸、關(guān)鍵設(shè)施的定位管理、監(jiān)測(cè)、通訊導(dǎo)航等領(lǐng)域。
[0010]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的采用下述技術(shù)方案:
[0011]覆蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶微型微帶天線，由輻射器、激勵(lì)器和饋電網(wǎng)絡(luò)組成，其特征在于:其中福射器由邊長< 19mm、厚度< 1mm、介電常數(shù)Er為35-40的正方形陶瓷基材薄片，以及印制在該陶瓷基材薄片正方形頂面上、邊長為17mm的正方形金屬貼片與該陶瓷基材薄片構(gòu)成一體；
[0012]所述激勵(lì)器是裝在輻射器的底部，它是由與輻射器正方形陶瓷基材薄片等邊長、厚度< 6mm、介電常數(shù)Er為14-18的正方形介質(zhì)基體，以及豎直封裝在該介質(zhì)基體內(nèi)的四根倒L型耦合探針?biāo)M成，探針針體頂部的彎折段與位于其頂部的輻射體金屬貼片平行、探針針體底端裝在該介質(zhì)基體下面的饋電網(wǎng)絡(luò)印制板上；
[0013]饋電網(wǎng)絡(luò)是裝在激勵(lì)器底部與其長寬尺寸相同的饋電網(wǎng)絡(luò)印制版，它是由一個(gè)180°電橋和兩個(gè)90°電橋組成的具有一個(gè)輸入端口和四個(gè)輸出端口的饋電網(wǎng)絡(luò)，該饋電網(wǎng)絡(luò)的四個(gè)輸出端口，分別為激勵(lì)器中的四根激勵(lì)探針提供等幅值、相位分別為0°、90°、180°、270°的信號(hào)電平。
[0014]所述輻射器的正方形金屬貼片，采用準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的第一級(jí)貼片，即是自金屬貼片各邊的中心位置，分別沿自邊的垂線方向，向其左右兩側(cè)擴(kuò)展刻制具有相等寬度D1和相等長度的刻制分隔線，整塊貼片被刻制成前后左右具有中心連體結(jié)構(gòu)的四塊形狀大小相同的第一級(jí)對(duì)稱貼片。
[0015]所述輻射器的正方形金屬貼片，采用準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的第二級(jí)貼片，即是針對(duì)第一級(jí)貼片中連體的前后左右四塊貼片的每塊貼片:對(duì)其外裸的相鄰兩邊，自各邊的中心位置沿自邊的垂線方向，向其左右兩側(cè)擴(kuò)展刻制具有相等寬度D1和相等長度D2的兩條刻制分隔線；對(duì)其內(nèi)含的相鄰兩邊，刻制位置與其外裸兩邊上的刻制分隔線相對(duì)應(yīng)、具有對(duì)應(yīng)相等寬度D1和長度D2的另兩條刻制分隔線，結(jié)構(gòu)上形成前后左右四角中心連體和各角上每塊都具有四角中心連體、由16塊形狀大小相同的第二級(jí)貼片組成的輻射器的正方形金屬貼片。
[0016]所述采用準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的第一級(jí)貼片，其刻制分隔線的寬度D1SlmnK長度為6.5-7.0mm0
[0017]所述采用準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的第二級(jí)貼片，在其每塊連心的第一級(jí)對(duì)稱貼片上，外裸的相鄰兩邊中心位置制出的刻制分隔線，以及與其對(duì)應(yīng)的內(nèi)含相鄰兩邊制出的刻制分隔線，寬度Di為1mm、長度D2為2mm。
[0018]將貼片刻制成這種連心分級(jí)對(duì)稱貼片的優(yōu)點(diǎn)是:擴(kuò)展天線工作帶寬，改善輻射效率。
[0019]所述激勵(lì)器的耦合探針與貼片的耦合距離為1.0-1.1mm。
[0020]所述激勵(lì)器耦合探針的彎折段長度為4.9-5.2_。
[0021]本發(fā)明的突出優(yōu)點(diǎn)是:與現(xiàn)有疊層結(jié)構(gòu)的多根天線相比較:
[0022]I)本發(fā)明的輻射器具有準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的貼片及具有四根倒L型耦合探針的激勵(lì)器，兩者配合工作，突破了現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端接收機(jī)窄帶微帶天線工作頻率的瓶頸，實(shí)現(xiàn)了工作頻率擴(kuò)展到1150-1700MHz，將現(xiàn)有天線的100-150MHz帶寬提高到550MHz帶寬，使接收信號(hào)頻率的帶寬擴(kuò)展了3.6-5.5倍。
[0023]2)不加饋電網(wǎng)絡(luò)的本案單天線外形尺寸為:ISmmX 18mmX7mm，與現(xiàn)有天線尺寸相比較，大大縮小了天線的外形尺寸實(shí)現(xiàn)了天線的微小型化。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明寬帶微型微帶天線外形結(jié)構(gòu)示意圖
[0025]圖2為本發(fā)明寬帶微型微帶天線的輻射器俯視結(jié)構(gòu)示意圖
[0026]圖3為本發(fā)明寬帶微型微帶天線的激勵(lì)器剖視圖
[0027]圖4為本發(fā)明寬帶微型微帶天線的饋電網(wǎng)絡(luò)電路框圖
[0028]圖5為本發(fā)明天線駐波特性仿真圖
[0029]圖6為本發(fā)明天線增益仿真圖
[0030]圖7-1至圖7-7為本發(fā)明天線方向仿真圖
[0031 ]圖8-1至圖8-7為本發(fā)明天線圓極化特性仿真圖
[0032]圖9-1至圖9-2為本發(fā)明試樣天線搜星試驗(yàn)接收衛(wèi)星信號(hào)圖
[0033]圖中標(biāo)記:I為輻射器、1-1為輻射器的頂面金屬貼片、1-2為輻射器的陶瓷介質(zhì)基材薄片、1-3為采用準(zhǔn)分形結(jié)構(gòu)的第二級(jí)對(duì)稱金屬貼片、W為陶瓷介質(zhì)基材薄片長度、L為金屬貼片長度、D1為金屬貼片的刻制分隔線寬度、D2為金屬貼片的刻制分隔線長度、2為激勵(lì)器、2-1為激勵(lì)器的正方形介質(zhì)基體、2-2為封裝在激勵(lì)器介質(zhì)基體內(nèi)的倒L型耦合探針、2-3為倒L型耦合探針頂部的彎折段、3為饋電網(wǎng)絡(luò)印制版、3-1為固定在饋電網(wǎng)絡(luò)印制版上的饋電網(wǎng)絡(luò)輸入端口。
[0034]【附圖說明】:由圖5可以看出本天線在1.15-1.76GHz的寬頻帶范圍內(nèi)，駐波<3，說明在寬帶范圍內(nèi)具有較好配匹特性。
[0035]由圖6可以看出天線的增益為-ldB，說明盡管本天線尺寸大幅度減小，但是其接收信號(hào)的能力下降不多。
[0036]圖7-1至圖7-7為天線方向仿真結(jié)果圖。為了客觀反映輻射特性的立體效果，在天線的方位面上每隔10°取樣一次，共計(jì)取樣12次，切出12個(gè)方向圖。由這12個(gè)方向圖可以看出它們的重合度相當(dāng)好，說明該天線的半球形方向圖是圓對(duì)稱的，相對(duì)中心是穩(wěn)定的。
[0037]從圖8-1至圖8-7的天線圓極化特性仿真結(jié)果示意圖看出:本發(fā)明天線具有