CN102437408B - 八角平板型阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种八角平板型阵列天线，包括接地板、圆极化四点馈电网络，接地板上设有中心辐射单元组件、沿径向等间距排布的两组耦合板，可以接收由多个导航定位卫星星座发射的信号，满足高精度载波相位测量要求。可为海、陆、空、天各用户提供GNSS载波相位测量用高精度接收机天线，还可推广应用于有稳定辐射相位中心、具有圆极化、半球波束覆盖要求的无线电发射和接收***。具有稳定的辐射相心，辐射方向图圆对称、高滚降、高前后比，良好的广角圆极化特性，具有良好的抗多径和宽带工作能力，是一种新型的GNSS高精度载波相位测量型用户兼容接收机天线。
Description
技术领域
本发明涉及一种全球卫星导航定位***GNSS(GNSS是Global Navigation SatelliteSystem的缩写，表示全球导航卫星***)用户接收机天线，尤其涉及一种八角平板型阵列天线。
背景技术
全球卫星导航***(GNSS＝global navigation satellite system)又称天基PNT(position、navigation、timing)***。全球导航卫星***(GNSS)是以卫星为基础的无线电导航定位***。具有全能性(海、陆、空、天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。卫星导航定位***接收机天线相位中心稳定性和抗多径能力直接影响到接收机载波相位测量精度，进而影响接收机***的测量精度和应用范围。
现有技术中，常用的天线有微带贴片天线，四臂螺旋天线和多臂平面螺旋缝天线等，现有天线在使用频带、相位中心稳定性、抗多径能力、圆极化增益的均衡性和良好的广角圆极化特性等方面很难完全满足GNSS兼容接收机对高精度载波相位测量的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种八角平板型阵列天线，该天线具有宽的工作频带、稳定的辐射相心和良好的圆极化特性，能较好地抑制周围的反射和散射，结构轻巧、集成度高、安装方便。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的八角平板型阵列天线，包括接地板，所述接地板内设有接地板腔，所述接地板腔内设有圆极化四点馈电网络，所述接地板上设有中心辐射单元组件；
所述中心辐射单元组件包括加载顶板，所述加载顶板下设有四个顶加载的扇面短振子，所述短振子底部的同轴馈电端的内导体与所述馈电网络的相应馈电点连接；
所述接地板上设有两组中心对称的耦合寄生单元，其中第一组布置在所述中心辐射单元组件外周，第二组布置在所述中心辐射单元组件的加载顶板的下面。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供的八角平板型阵列天线，由于圆极化四点馈电网络设于接地板腔内，中心辐射单元组件包括加载顶板，加载顶板下设有四个顶加载的扇面短振子，短振子底部的同轴馈电端的内导体与所述馈电网络的相应馈电点连接；接地板上设有两组中心对称的耦合寄生单元，其中第一组布置在所述中心辐射单元组件外周，第二组布置在所述中心辐射单元组件的加载顶板的下面。具有良好的中心对称性，利用中心辐射单元组件与耦合板的相互作用不仅有利于辐射相心稳定，能较好地抑制周围的反射和散射，达到好的抗多径性能，使天线具有更宽的工作频带，更宽的覆盖波束，结构更轻巧、更紧凑，更方便安装。
附图说明
图1为本发明实施例提供的八角平板型阵列天线的平面结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为本发明的实施例中的中心辐射单元组件的底面示意图；
图4为本发明的实施例中的中心辐射单元组件的立面示意图；
图5a、图5b为本发明的实施例中天线的外形结构示意图；
图6为本发明的实施例中斜形耦合板的外形结构示意图。
图中：1、接地板，2、第一组寄生耦合单元，3、第二组寄生耦合单元，4、加载顶板，5、扇面短振子，6、组装螺杆，7、同轴馈电端。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
本发明的八角平板型阵列天线，其较佳的具体实施方式如图1、图2所示：
包括接地板，所述接地板内设有接地板腔，所述接地板腔内设有圆极化四点馈电网络，所述接地板上设有中心辐射单元组件；
如图3、图4所示，所述中心辐射单元组件包括加载顶板，所述加载顶板下设有四个顶加载的扇面短振子，所述短振子底部的同轴馈电端的内导体与所述馈电网络的相应馈电点连接；
所述接地板上设有两组中心对称的耦合寄生单元，其中第一组布置在所述中心辐射单元组件外周，第二组布置在所述中心辐射单元组件的加载顶板的下面。
所述短振子呈扇形角片状，所述加载顶板为切角八边形平板，所述切角八边形由两个正方形相对旋转45°后切角形成。
所述短振子底部的同轴馈电端的的底电容与所述短振子的电抗平衡，实现电小尺寸天线的宽带特性。
所述第一组寄生耦合单元包括12个等间距沿径向布置的斜形耦合板；所述第二组寄生耦合单元包括4个矩形耦合片，4个矩形耦合片与四短个振子相互间隔均匀布置。形成低高度***板型天线，有利辐射相位中心的稳定。
具体实施例中，所述斜形耦合板的内侧边与所述接地板的上表面成45°夹角，外侧边与所述接地板的上表面成40.6°夹角
所述接地板腔的内高度小于或等于4mm、直径小于或等于180mm，所述馈电网络全部封闭安装于所述接地板腔内。
所述天线辐射单元组件的中心纵向设有组装螺杆，所述组装螺杆从所述加载顶板贯穿至所述接地板腔的下底面，并用螺母锁紧，以增强该天线的结构刚度和强度。
该天线设有天线罩，所述天线罩通过底部法兰与所述接地板周边的法兰连接。
所述天线罩为透波天线罩，由复合材料构成。
所述接地板腔的底部设有几何中心孔，并在标有天线的相位中心位置，该天线通过接地板中孔或接地板法兰的均布螺孔与载体相连。
具体实施例：
主要包括以下五部分：
中心辐射单元组件、中心对称且等间距排布的两组径向寄生耦合板、接地板及接地板腔、圆极化四点馈电网络、天线罩。
天线安装在直径不超过200mm的接地板腔上，中心辐射单元组件高30mm，是天线辐射主体。
接地板腔是一个带外法兰的圆腔，整个馈电网络封闭安装在接地板腔内。在接地板腔上还均布有两组寄生耦合板。一组排列在中心辐射单元组件外周，由12个等间距沿径向排布的耦合板组成；另一组排布于中心辐射单元组件顶板下面，与四个振子周向呈45°角排布。天线罩由电磁透波材料热压成形，与天线接地板腔外法兰连接。整个天线密封于天线罩内。
天线可以工作于无源和有源两种状态。无源状态下，天线仅一个RF插座在接地板腔下底边缘(或中心)伸出，与接收机相连。有源状态下，在接地板腔底部可安置接收机的LNA和滤波器等射频前端部件。
下面对具体实施例进行详细的描述：
如图5a、图5b所示，是天线的外结构，具体实施例中天线外径Φ≤200mm，高度≤60mm(含天线罩和RF插座尺寸)。整个天线密封于天线罩内，天线罩采用电磁透波材料，罩形为圆锥台，壁厚≤0.5mm，带有3mm厚的外法兰。这种结构质轻、透波、具有足够的刚度。具体实施例中天线罩可以采用石英复合材料，这种材料较贵，如果仅地面应用可换用成本较低的玻璃钢材料。
再参见图1和图2，是去掉天线罩的天线外形结构，中心为天线的中心辐射单元组件，它由八角顶加载平版，4个两两正交的扇面展宽短振子和在底部的4个同轴馈电座组成(中心辐射单元组件的详细视图参见图3-图4)。围绕中心辐射单元组件有两组寄生耦合单元(无源耦合)。一组排列在中心辐射单元组件外周，由12个等间距沿径向排布的耦合板组成；另一组排布于中心辐射单元组件顶板下面，与四个振子周向呈45°角排布。采用焊接工艺成形，尽量减少焊接引起的变形，务必保证形位公差。在天线中心由顶至下接地板间贯穿了一根金属组装螺杆。在接地板腔上分布了防耦合紧固螺钉。
接地板腔内直径173mm。内腔高4mm，正好将馈电网络置于其中。腔外法兰与天线罩和载体相连。底腔上有8个安装隔离导电块的螺孔和与接收机相连的SMA(F)的法兰安装孔。把介质三板线网络置于接地板底腔后，加盖上接地板。接地板腔上的紧固螺钉包括安装到隔离导电块的螺孔可以隔离带线间耦合和抑制平板波模改善网络馈电性能，这些紧固螺孔，都在上接地板组装后配打。
两组寄生耦合单元包括：
第一组寄生耦合单元：由中心辐射单元外12个均布的径向寄生耦合片(斜形耦合板)组成。如图6所示，具体实施例中斜形耦合板的内侧边与水平面成45°夹角，外侧边与水平面成40.6°夹角，夹角可以根据需要调节；
第二组寄生耦合片单元：由4个矩形耦合片构成，排布于中心辐射单元组件顶板下面，与四个振子周向呈45°角排布。
具体实施例的天线的基本技术特性：
1)本发明天线由接地板腔上四个彼此正交的顶加载短振子构成中心辐射单元组件。四个短振子呈扇形角片状，扇面展宽角使其振子高不超过λ/8，振子上端宽50mm。加载顶板呈切角八边形平板，是由两个边长为65mm的方板旋转45°切角形成。
2)四个短振子的馈电底座为同轴型。短振子底部内导体延伸长度正好保证与网络馈电线的相应馈电点连接。其外导体为上接地板对应的4个开孔，内、外导体间填充有Teflon微波介质。同轴内、外导体尺寸除按特征阻抗为50Ω设计外，还需调整振子馈电端底电容，使其与短振子的电抗平衡，实现电小天线馈电的宽带匹配特性，保证对多个导航卫星星座信号的正常接收。
3)围绕中心辐射单元组件是两组中心对称的寄生耦合单元。一组排列在中心辐射单元组件外周，由12个等间距沿径向排布的耦合板组成，每个耦合板呈斜梯形；另一组耦合板由4个矩形板构成，排布于中心辐射单元组件顶板下面，与四个振子周向呈45°角排布。通过调整寄生耦合板的几何位置和尺寸，可使中心辐射单元组件与耦合板的相互作用尽量降低辐射相位中心，有利于辐射相心稳定。这种中心对称、低高度、平板型结构的显著特征是具有稳定的辐射相心，设计相心离散度可小于1mm；
4)把接地板做成了一个内高度4mm、直径不超过Φ180mm的接地板圆腔。馈电网络全部封闭安装于此腔内。接地板上的4个振子，通过其内导体探针穿过上接地板上的4个金属化过孔与其对应的4个带线端(上介质板接天线的4端口)连接；馈电网络另一端与接收机相连，通过金属化过孔与安装在下接地板上的RF插座内芯相连。该插座可以从底板中心或侧边伸出，RF插座采用SMA/TNC(F)形式。这种组装结构除紧凑性、整体性、易集成外，还有良好的电磁兼容(EMC)性；
5)具有完全中心对称的结构特征，利用中心辐射单元组件与耦合板的相互作用不仅有利于辐射相心稳定。更重要的是提高了方向图的滚降和前后比特性，能较好地抑制周围的反射和散射，达到好的抗多径性能。与使用Choke环的天线相比，本天线具有更宽的工作频带，更宽的覆盖波束，结构更轻巧、更紧凑，更方便安装。
6)天线除天线罩和封闭安装于接地板腔内的介质板线馈电网络，其余部分均为全金属结构，可采用整体成形无一焊缝。有好的刚度、强度和空间环境适应性。
7)利用天线的中心对称性，在天线辐射单元组件中心加装了组装螺杆，从顶板直插至接地板腔的下底面，用螺母锁紧。这不影响天线辐射性能(为电流节点)，却大大地提高了天线结构的刚度和强度，特别适合于高速移动载体应用；
8)由复合材料构成的透波天线罩呈圆锥台状，通过底部法兰与天线接地板腔法兰螺连。该罩子保护天线本体，避免与外界的直接接触，增加了天线抗碰撞、抗振动、抗冲击的能力。通过密封垫圈还隔离了雨淋、沙尘、湿气、盐碱等，符合GJB150的有关规定。
与已有的同类天线技术性能比较，本发明具体实施例的天线的技术优点如下：
1)天线为低高度平板型结构，并采用多个中心对称寄生耦合板，使其具有十分稳定的辐射相位中心。其设计相心离散度小于1mm，满足高精度载波相位测量型接收机天线的技术要求；本发明天线有良好的平装特性，可广泛应用于航天器、飞机和船舰等运动载体上；
2)天线具有宽频带特性，适合与GNSS兼容接收机配套使用。微带贴片天线和四臂螺旋天线是普通常用的GPS接收机天线。由于它们均属谐振型天线，多工作于L1单频或L1和L2双频。天线采用了展宽频带设计使电小天线实现了宽带特性。可接收GPS、GLONASS、GALILEO和BD-2等多个导航卫星星座信号。在1.1GHz-1.7GHz带内，VSWR小于2∶1；
3)天线的显著特点是中心对称结构。四点圆极化馈电使其方向图具有良好的圆对称性和良好的广角圆极化特性。在±70°的工作角域内，达到了AR≤2dB，圆不对称性≤±1dB设计性能；
4)本发明天线利用多个中心对称寄生耦合单元降低了天线辐射相位中心，实现了方向图的高滚降、高前后比和良好的广角圆极化特性，大大抑制了多径效应，与使用Ckoke环的效果相当。但在频带展宽、结构轻小、紧凑方面优于Choke环结构，更方便安装；
5)天线利用了天线结构的完全中心对称性，在天线辐射单元组件中心(为电流节点)加装了一根金属组装螺杆，从顶板中心直插至接地板腔的下底面，用螺母锁紧。这不会影响天线辐射性能，而且大大地提高了天线结构的刚度和强度，特别有利于空间飞行器用户接收机天线的应用；可以全球卫星导航定位***GNSS的用户接收机天线。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种八角平板型阵列天线，其特征在于，包括接地板，所述接地板内设有接地板腔，所述接地板腔内设有圆极化四点馈电网络，所述接地板上设有中心辐射单元组件；
所述中心辐射单元组件包括加载顶板，所述加载顶板下设有四个顶加载的扇面短振子，所述短振子底部的同轴馈电端的内导体与所述馈电网络的相应馈电点连接；
所述接地板上设有两组中心对称的耦合寄生单元，其中第一组布置在所述中心辐射单元组件外周，第二组布置在所述中心辐射单元组件的加载顶板的下面。
2.根据权利要求1所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述短振子呈扇形角片状，所述加载顶板为切角八边形平板，所述切角八边形由两个正方形相对旋转45°后切角形成。
3.根据权利要求2所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述短振子底部的同轴馈电端的底电容与所述短振子的电抗平衡。
4.根据权利要求3所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述第一组耦合寄生单元包括12个等间距沿径向布置的斜形耦合板；
所述第二组耦合寄生单元包括4个矩形耦合片，4个矩形耦合片与四个短振子周向呈45°间隔均匀布置。
5.根据权利要求4所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述斜形耦合板的内侧边与所述接地板的上表面成45°夹角，外侧边与所述接地板的上表面成40.6°夹角。
6.根据权利要求1所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述接地板腔的内高度小于或等于4mm、直径小于或等于180mm，所述馈电网络全部封闭安装于所述接地板腔内。
7.根据权利要求6所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述天线辐射单元组件的中心纵向设有组装螺杆，所述组装螺杆从所述加载顶板贯穿至所述接地板腔的下底面，并用螺母锁紧。
8.根据权利要求1至6任一项所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，该天线设有天线罩，所述天线罩通过底部法兰与所述接地板周边的法兰连接。
9.根据权利要求8所述的八角平板型阵列天线，其特征在于，所述天线罩为透波天线罩，由复合材料构成。
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