CN102916263A - 一种多模卫星导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多模卫星导航天线，共分为五层，从上往下依次为：第一层为辐射层，采用双层短路贴片结构，上层贴片位于第一层介质的顶部，下层贴片位于第一层介质的底部，上下贴片通过短路臂连接；第二层介质支撑辐射层，位于馈电探针与下层贴片之间；第三层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层与次级馈电网络连接；第四层为次级介质带线馈电网络层，由两副宽带90°移相器组成；第五层为初级介质带线馈电网络层，由一副宽带180°移相器组成；第四层和第五层之间用金属探针连接。该天线具有低仰角轴比特性好，抗多径干扰能力强的特点。
Description
技术领域
本发明属于雷达电子***技术领域，涉及一种多模卫星导航天线，具体涉及宽频带、小型化、宽波束、宽角仰角轴比多模卫星导航天线。
背景技术
当今社会，科学技术的迅速发展使得电子信息时代社会提前来临。在定位导航***中，传统使用的陆基无线电导航***，因为其覆盖的信号范围有限、定位精度较低等问题，很难支持现代社会航海、航空、陆地车辆及军事的高精确度定位导航的要求。为此定位精度高、速度快的卫星导航***便迅速发展起来。
随着迅速发展的卫星定位导航技术的应用普及，许多国家均已建立了自己的卫星导航***。目前，美国的GPS，俄罗斯的GLONASS已被广泛应用，欧洲的Galileo和中国的Compass也均已服务于社会。由于每种导航***在空间的卫星分布有限，不能覆盖地球上的所有区域，所以其定位导航精度和安全可靠性以及可用性也都受到了制约，因此未来的卫星定位导航***为了提高定位精度和解决单一***覆盖盲区的问题，将会采用多种卫星导航体制相兼容的模式，而作为卫星导航***中至关重要的组成单元—天线，将在某种意义上对卫星导航***的性能起着决定性作用。因此研究一种兼容多模卫星定位导航***的性能优异的终端天线具有重大的现实意义。
通常卫星导航天线采用微带天线和四臂螺旋天线两种方式。微带天线的缺点是工作频带窄，低仰角增益和轴比特性比较差；四臂螺旋天线的缺点是尺寸大，不易共形。
发明内容
本发明的目的在于克服卫星导航***中通常使用的两种天线形式的不足，提出一种多模卫星导航天线，该天线的工作频带满足当前所有主流卫星导航***的带宽要求，解决了宽频带、低轮廓、宽角仰角轴比、宽波束覆盖的天线设计问题。
其技术方案为：
一种多模卫星导航天线，共分为五层，从上往下依次为：
第一层为辐射层，采用双层短路贴片结构，上层贴片位于第一层介质的顶部，下层贴片位于第一层介质的底部，上下贴片通过短路臂连接；
第二层介质支撑辐射层，位于馈电探针与下层贴片之间；
第三层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层与次级馈电网络连接；
第四层为次级介质带线馈电网络层，由两副宽带90°移相器组成；
第五层为初级介质带线馈电网络层，由一副宽带180°移相器组成；
第四层和第五层之间用金属探针连接，馈电网络隔离电阻处顶部的介质层开槽使得馈电网络介质层密闭良好。
所述辐射层中上层贴片尺寸大于下边的辐射贴片尺寸。
所述L型探针馈电层中，水平部分为矩形的金属印刷条带，垂直部分为金属探针和馈电网络连接。
所述第四层和第四层采用添加λ/8开路和短路枝节结构，频带范围在1.1-1.6GHz的范围内，相差在180°±5°和90°±5°的范围内。
本发明与现有技术相比的有益效果
(1)本发明可以满足多模卫星导航***的带宽要求。
(2)本发明采用微带结构，结构紧凑，易共形。
(3)本发明的天线波束宽度宽，低仰角增益高。
(4)本发明天线宽角仰角轴比特性好，抗多径干扰能力强。
附图说明
图1为圆形贴片天线结构示意图；
图2为四馈电圆极化天线原理图；
图3为多径干扰示意图；
图4为表面波传播特性图；
图5为本发明所述天线的结构示意图；
图6为本发明天线馈电网络结构图，其中图6a初级馈电网络结构图；图6b为次级馈电网络结构图；
图7为仿真和实测驻波图；
图8为仿真和实测轴比图，
图9为不同频率轴比方向图，其中图9a)为1.2GHz轴比方向图，图9(b)为1.4GHz轴比方向图，图9(c)为1.6GHz轴比方向图；
图10为不同频率远场方向图，其中图10(a)为1.2GHz实测方向图，图10(b)为1.4GHz实测方向图，图10(c)为1.6GHz实测方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明应用了微带天线和多馈电点圆极化的工作原理。如图1所示，圆形贴片天线是在介质基片上贴一层薄导电圆形贴片，基片的背面是地板。基片内的电场基本上只有z分量，而磁场只有x分量和y分量。因为h＜＜λ0，所以场沿z方向不变，并且微带边缘的法向电流分量在边缘处接近零。这就意味着边缘处磁场切向分量趋于零。基于这些假定，可以把圆形微带天线模拟成一个圆柱腔体。其上、下底面为电壁，侧面为磁壁。因此，在微带介质区域，场可以用解腔体问题的方法来确定。
单馈电的方式用简并分离元的方法来移相，驻波比和轴比带宽都比较窄，通常只有10％左右；而多馈电的方式将移相交给馈电网络，辐射片只关注激励极化正交、幅度相等的电场，轴比带宽可以大大提高。多馈电可以分为两馈电、三馈电、四馈电等方式，并且需要不同的馈电网络。图2为四馈电圆极化天线原理图。
长期以来多径干扰一直是GPS定位误差的主要来源，众所周知卫星信号的多径信号主要来自于地面反射，接收天线可能在低仰角或负仰角把这些反射信号接收，如图3所示。事实上所有的表面波都可以分解为TE和TM两种模式，如图4所示，任何形式的表面波，都是无法在d＝λ/4这种表表面上传播的。在辐射片中心加一短路壁，如图5所示的短路环，这种结构可以有效抑制高次模，从而减小表面波传播。短路环半径应一该满足下面方程：
J1(k1a)/Y1(k1a)＝J＇1(k1x＇11/kTM0)/Y＇1(k1x＇11/kTM0)(1)
根据以上基本思想，设计的天线结构如图5所示，天线共分为五层。从上往下第一层为辐射层，上层贴片位于第一层介质的顶部，下层贴片位于第一层介质的底部，上下层贴片被短路臂路；第二层介质起到了支撑辐射层和隔离馈电探针与下层贴片的作用；第三层为L型探针馈电层，它由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层与次级馈电网络连接；第四层为次级介质带线馈电网络层，它由两副宽带90°移相器组成；第五层为初级介质带线馈电网络层，它由一副宽带180°移相器组成。
1、宽频带工作
本发明采用宽带移相网络和L型探针耦合馈电结构，使得天线工作频带宽，能够满足当前所有主流卫星导航***的带宽要求。
2、结构紧凑
本发明采用双层带线馈电网络结构，有效地减小了馈电网络的尺寸，使天线整体结构变得紧凑。初级和次级介质带线结构如图6所示。
3、改善低仰角轴比
本发明采用四馈电点加宽带网络结构和短路臂结构，改善了天线的低仰角轴比特性。
4、改善低仰角增益
本发明采用了双层短路贴片作为辐射体，双层介质带线作为馈电网络，减小体积的同时，也提高了波束宽度，改善了低仰角增益。
图7和图8为天线的驻波曲线和最大辐射方向轴比曲线，从图中可以看出，VSWR＜2的带宽为50.8％，可以从1.1到1.85GHz，AR＜3的带宽为45.5％，可以从1.07到1.7GHz。驻波和轴比带宽可以完全覆盖GNSS频段。图9是天线在不同频率X-Z和Y-Z面的轴比方向图，可以看出，天线具有优异的宽角仰角轴比特性。图10是天线在不同频率X-Z和Y-Z面的远场方向图曲线，可以看出，在仰角大于10°时，天线的增益都大于-5dBi。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，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，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种多模卫星导航天线，其特征在于，共分为五层，从上往下依次为：
第一层为辐射层，采用双层短路贴片结构，上层贴片位于第一层介质的顶部，下层贴片位于第一层介质的底部，上下贴片通过短路臂连接；
第二层介质支撑辐射层，位于馈电探针与下层贴片之间；
第三层为L型探针馈电层，由四个L型探针组成，水平部分印制在介质层，垂直部分穿过介质层与次级馈电网络连接；
第四层为次级介质带线馈电网络层，由两副宽带90°移相器组成；
第五层为初级介质带线馈电网络层，由一副宽带180°移相器组成；
第四层和第五层之间用金属探针连接。
2.根据权利要求1所述的多模卫星导航天线，其特征在于，所述辐射层中上层贴片尺寸大于下边的辐射贴片尺寸。
3.根据权利要求1所述的多模卫星导航天线，其特征在于，所述L型探针馈电层中，水平部分为矩形的金属印刷条带，垂直部分为金属探针和馈电网络连接。
4.根据权利要求1所述的多模卫星导航天线，其特征在于，所述第四层和第四层采用添加λ/8开路和短路枝节结构，频带范围在1.1-1.6GHz的范围内，相差在180°±5°和90°±5°的范围内。
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