CN101136503B - 一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线包括：微波基板，环形贴片天线、四根短路针、中空金属短路圆柱、四等分功分器、四个馈电探针，微波基板具有第一表面和第二表面，环形贴片环形天线位于该微波基板的第一表面上，四根短路针对称地安放在环形天线内环的边缘，穿透微波基板，将环形贴片天线与微波基板的第二表面连接起来，或用中空金属短路圆柱安放在环形天线内环的边缘，将环形贴片天线与微波基板的第二表面连接起来；四个馈电探针对称地安放在馈电位置，上端接触环形贴片天线，穿过微波基板后，下端分别连接四等分功分器的四个输出端。本发明具有较高的低仰角增益，较宽的带宽，工作于1.559GHz/1.561GHz/1.575GHz频带，可适用于GPS/GALLEO/BD2三个卫星导航***的导航终端中。

Description

一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航天线，特别是一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线及其制备方法。

背景技术

随着卫星导航、定位技术的蓬勃发展，各国纷纷开发自己的全球卫星导航***，同时，越来越多的卫星导航终端设备进入到国防、民用以及大家的日常生活、工作当中，人们对于卫星导航***的稳定性、可靠性提出更高的要求，为此，设计一种能同时接收多个卫星导航信号，提供连续稳定卫星导航信号的天线***，已成为一个技术热点。

卫星导航终端至少由接收机和天线所组成，天线的主要功能是用于接收导航信号，因此天线设计对于导航***的质量尤其重要。如今的天线设计，不仅要满足用户对接收卫星导航信号质量的要求，还要符合导航终端体积小型化的要求，因此天线尽可能占用较小的空间体积，同时保证较好的天线性能。

一般而言，目前应用在卫星导航终端中的天线形式主要有：螺旋天线，平板印刷天线、缝隙天线。螺旋天线具有较好的圆极化性能，但空间体积较大，不易内置、不易与载体共形。缝隙天线由于导体表面的不连续性，产生较强的高次模辐射，低仰角圆极化效果不令人满意，馈电方式不易实现。平板印刷天线具有平面化，结构简单，占用空间小，设计加工容易等特点，近年来被大量应用于多种无线通信终端当中。但是，采用常规的设计方式，平板天线的阻抗带宽和圆极化带宽都较窄，低仰角增益也很难满足卫星导航接收机的要求。为了保证卫星导航天线具有较小的体积，易于和载体共形、内置的优点，本发明在平板天线的基础上，改进设计思路和方法，设计出一种全新的卫星导航天线。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线及其制备方法，该天线具有较高的低仰角增益，较宽的带宽，工作于1.559GHz/1.561GHz/1.575GHz频带，可适用于GPS/GALLEO/BD2三个卫星导航***的导航终端中。

本发明的次要目的是提供一种结构简单，占用空间小，且可以低成本制造的天线。

本发明的技术解决方案：一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特点在于至少包括：微波基板，环形贴片天线、四根金属短路针、中空金属短路圆柱、四等分功分器、四个馈电探针，微波基板具有第一表面和第二表面，环形贴片环形天线位于该微波基板的第一表面上，四根短路针对称地安放在环形天线内环的边缘，穿透微波基板，将环形贴片天线与微波基板的第二表面连接起来，或用中空金属短路圆柱安放在环形天线内环的边缘，将环形贴片天线与微波基板的第二表面连接起来；四个馈电探针对称地安放在馈电位置，上端接触环形贴片天线，穿过微波基板后，下端分别连接四等分功分器的四个输出端。

四等分功分器采用环形分支耦合器与矩形分支耦合器混合结构，即环形分支耦合器的每个输出端口分别连接一个矩形分支耦合器，连接环形分支耦合器与矩形分支耦合器的线长相差四分之一波长，连接线刻蚀在双面微波基板上。环形分支耦合器的两输出端口距离输入端分别是四分之一波长，或二分之一波长；矩形分支耦合器的边长是四分之一波长。环形分支耦合器和矩形分支耦合器的边宽分别对应特性阻抗75或35欧姆。

制备上述天线的方法，包括步骤如下：

(1)在一双面微波覆铜基板的其中一面上，获得所要求的一金属圆环，该圆环就是天线的主要辐射体，保留双面覆铜板的另一面作为天线的地板；

(2)将金属圆环的内圆边界对应的微波覆铜板基板的介质切除，减小高次模的辐射，改善圆极化性能，并在金属圆环的内圆边缘对称放置四根金属短路探针，保证探针将金属圆环和金属地板连接起来，或者用一中空的金属圆柱将金属圆环和金属地板连接起来，在展宽阻抗带宽和圆极化带宽，并压制高次模的辐射；

(3)减小天线地板的尺寸，保证天线地板的尺寸处于金属圆环的外圆边界和微波覆铜板的基板边界之间，向外延长介质基板的尺寸，并满足设计要求，以增强天线的水平辐射强度，提高低仰角增益；

(4)根据设计优化，将四根馈电探针安装在金属圆环靠近外边界的相应位置，连接探针和四等分功分器，以获得较好的圆极化性能。

本发明与现有技术相比的优点在于：由于本发明的结构及特有的去除基板中间介质技术、地板内缩技术、短路技术，减小了高次模的影响，提高了低仰角增益和频带宽度，获得了较好的圆极化效果。此外，本发明制作在微波基板上，依靠现有的先进的照相、光刻技术可以组织批量加工生产，保证了天线的质量，降低了天线成本。本发明可用于车载、机载和舰载卫星导航接收机上，具有极高的产业应用价值。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的四等分功分器俯视图；

图4为本发明的天线70度和85度时低仰角增益曲线，70度时大于0dB，85度时大于-3.07dB；

图5为本发明天线阻抗带宽曲线，驻波比小于1.5时带宽大于80MHz。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的结构包括：微波基板1，环形贴片天线2、四根金属短路针3(主要是铜质，也可以为其它导电的金属)、中空金属短路圆柱4(主要是铜质，也可以为其它导电的金属)、四等分功分器5、四个馈电探针6，微波基板1具有第一表面和第二表面，环形贴片环形天线2位于微波基板1的第一表面上，四根金属短路针3(直径为0.5-1.5mm)对称地安放在环形天线内环的边缘，穿透微波基板1，将环形贴片天线2与微波基板1的第二表面连接起来，或用中空金属短路圆柱4安放在环形天线内环的边缘，将环形贴片天线与微波基板的第二表面连接起来；四个馈电探针6对称地安放在馈电位置，上端接触环形贴片天线2，穿过微波基板1后，下端分别连接四等分功分器5的四个输出端口13。来自导航卫星的信号由于电磁感应效应，在天线上感应出电场，短路探针或短路圆柱使得电场分布更加均匀，从而获得需要的模式，改善了圆极化性能，增加了带宽；地板内缩和微波基板的延伸使得水平辐射增强，低仰角增益增大；四等分功分器用来提高圆极化性能。

如图3所示，四等分功分器5采用环形分支耦合器12与矩形分支耦合器11混合结构，环形分支耦合器两输出端口距离输入端14分别是四分之一，或二分之一波长；矩形分支耦合器的边长是四分之一波长。环形分支耦合器和矩形分支耦合器的边宽分别对应特性阻抗75或35欧姆；环形分支耦合器和矩形分支耦合器的连接边长相差四分之一波长，连接刻蚀在双面微波基板上。

本发明的天线制备方法为：根据天线工作频段确定初始设计尺寸后，在电磁仿真专用环境中建模、仿真，经过优化后可获得设计尺寸，并可以观察到天线的有关性能参数；根据仿真设计尺寸，绘出工程加工图，经过照相、光刻、腐蚀就可以获得满意的天线实物。

通过照相、光刻腐蚀在双面覆铜板的一面上获得合乎尺寸的金属圆环，该圆环就是天线的主要辐射体，双面覆铜板的另一面作为天线的地板；切除圆环内边界对应处的基板介质，在圆环内边缘对称安装四根短路针(或中空金属圆柱)，保证将天线地板和圆环连接起来；按照设计尺寸减小金属地板的尺寸，保证介质基板向外延长的尺寸；在圆环的外边界馈电点处安装四根馈电探针，最后将探针和四等分功分器的四个输出分别连接起来，保证符合右旋圆极化的要求。

如图4所示，本发明的天线70度和85度时低仰角增益曲线，70度时大于0dB，85度时大于-3.07dB，表明本发明天线的低仰角增益好于现有卫星导航移动终端天线。

如图5所示，本发明天线阻抗带宽曲线，驻波比小于1.5时带宽大于80MHz，表明本发明天线的阻抗带宽较宽，能够覆盖1.559GHz/1.561GHz/1.575GHz频带，可适用于GPS/GALLEO/BD2三个卫星导航***的导航终端中。

Claims (8)

1.一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特征在于包括：微波基板(1)，环形贴片天线(2)、四个金属短路针(3)、中空金属短路圆柱(4)、四等分功分器(5)和四个馈电探针(6)，所述的微波基板(1)具有第一表面和第二表面，所述的环形贴片天线(2)位于该微波基板(1)的第一表面上，四个金属短路针(3)对称地安放在环形天线内环的边缘，穿透微波基板(1)，将环形贴片天线(2)与微波基板(1)的第二表面连接起来，或用中空金属短路圆柱(4)安放在环形天线内环的边缘，将环形贴片天线(2)与微波基板的第二表面连接起来；四个馈电探针(6)对称地安放在馈电位置，上端接触环形贴片天线(2)，穿过微波基板(1)后，下端分别连接四等分功分器(5)的四个输出端。

2.根据权利要求1所述的一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特征在于：所述的四等分功分器(5)采用环形分支耦合器与矩形分支耦合器混合结构，即环形分支耦合器的每个输出端口分别连接矩形分支耦合器，连接环形分支耦合器与矩形分支耦合器的线长相差四分之一波长，连接线刻蚀在双面微波基板上。

3.根据权利要求2所述的一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特征在于：所述的环形分支耦合器两输出端口距离输入端分别是四分之一，或二分之一波长。

4.根据权利要求2所述的一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特征在于：所述的矩形分支耦合器的边长是四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的一种提高低仰角增益的环形卫星导航天线，其特征在于：所述的四个金属短路探针的直径为0.5-1.5mm。

6.制备权利要求1所述的提高低仰角增益的环形卫星导航天线的方法，其特征在于步骤如下：

(1)在一双面微波覆铜基板的其中一面上，获得所要求的一金属圆环，该圆环就是天线的主要辐射体，保留双面覆铜板的另一面作为天线的地板；

(2)将金属圆环的内圆边界对应的微波覆铜板基板的介质切除，减小高次模的辐射，改善圆极化性能，并在金属圆环的内圆边缘对称放置四根金属短路探针，保证探针将金属圆环和金属地板连接起来，或者用一中空的金属圆柱将金属圆环和金属基板连接起来，能够展宽阻抗带宽和圆极化带宽，并压制高次模的辐射；

(3)减小天线地板的尺寸，保证天线地板的尺寸处于金属圆环的外圆边界和微波覆铜板的基板边界之间，向外延长介质基板的尺寸，并满足设计要求，以增强天线的水平辐射强度，提高低仰角增益；

(4)根据设计优化，将四根馈电探针安装在金属圆环靠近外边界的相应位置，连接四个金属短路探针和四等分功分器，以获得较好的圆极化性能。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)采用照相制版或光刻腐蚀的方法获得双面微波覆铜板的其中一面上，获得所要求的一金属圆环。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的四根金属短路探针的直径为0.5-1.5mm。

Images