卫星导航***终端宽带小型微带天线
技术领域
本发明涉及天线技术、宽带技术、小型化技术,特别涉及卫星导航天线。
背景技术
卫星导航***是指为地面、海洋、空间、以及太空的各种的载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业***。可实现对目标定位、导航、监管、管理。它已在军事和民用等领域发挥出重要作用,成为不可或缺的无线电应用的高技术。
随着北斗导航***的不断完善,加上中国参与欧洲伽利略卫星导航***的研发,目前国内已能够接收GPS、北斗、GLONASS、伽利略四套卫星导航***信号。利用组合导航,可以使观测到的卫星数目会大幅度增加,有利于减少多路径效应,提高定位精度,缩短定位时间,提高观测结构的可靠性。特别是在城市、峡谷、密林深处等信号受到严重遮挡的情况下,尤为重要。
卫星导航***终端天线多采用微带天线,这是因为微带天线轻、小,适宜平装和集成。普通微带天线工作频带比较窄,一般为2%左右,即或采用扩频加载技术,工作频带也只能扩展到7%左右,不能满足覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略,四***的频率覆盖要求。因此不得不采用双天线叠层结构。叠层结构天线由两层辐射贴片和接地板组成,上层辐射单元(贴片)产生的GPS的L1频段(1.575GHz).GLONASS的E1频段(1.602GHz),北斗的B1频段(1.561GHz)。下层辐射单元(贴片)产生GPS的L2频段(1.227GHz)GLONASS的E2频段(1.246GHz)、北斗的B2频段(1.207GHz)。其中下层辐射单元(贴片)同时也充当了上层的接地板。
要实现对称馈电,需要8根馈线。其中4根馈线为下贴片馈电。另外4根馈线为上贴片馈电,为上贴片馈电的4根馈线必须通过下层贴片,这样就不可避免地会对下层贴片造成激励,形成干扰,降低两天线之间的隔离。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,提供一种具有更大的带宽和更小体积的卫星导航终端天线。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是,卫星导航***终端宽带小型微带天线,包括贴片、介质基材和激励探针,其特征在于:
介质基材包括介电常数为ε1的第一介质基材和介电常数为ε2的第二介质基材,16≤ε1≤18,10≤ε2≤12,且ε1-ε2≥4。
贴片和激励探针之间设置有第一介质基材,激励探针包括横向部分和纵向部分;激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合,纵向部分穿过第二介质基材,纵向部分具有外部电路连接端。
进一步的,贴片带有耦合缝隙,耦合缝隙的一端设置于贴片边缘,即缝隙在贴片边缘有一个开口;
所述贴片的耦合缝隙包括中心对称正交分布的直线缝隙,探针的横向部分平行于耦合缝隙。
每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙,所述扩展缝隙垂直于直线缝隙,且与直线缝隙相交于扩展缝隙的中点,探针的横向部分平行于直线缝隙。
所述探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面,且横向部分中心对称分布,探针的纵向部分垂直于横向部分,纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端,且各探针的纵向部分彼此平行。
横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片。
耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点。
所述贴片为正方形贴片,贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙,且直线缝隙设置于贴片的边的中点处。
本发明的有益效果是,体积小,精度高,带宽大,应用范围广,很适合用于通讯导航、手表***、登山旅游、沙漠探险、深林防火、车辆监控、高铁运输。
附图说明
图1为本发明的天线结构示意图(侧视方向)。
图中,1第一介质基材,2第二介质基材,3激励探针横向部分,4激励探针纵向部分,5贴片。
图2为贴片结构示意图,其中a为实施方式一的贴片示意图,b为实施方式二的贴片示意图。
图3为实施例1的天线的驻波特性仿真结果示意图,由图可以看出天线的驻波≤2.5时,工作频率范围为:1170MHz-1880MHz,带宽约为700MHz左右。相对带宽达到60%。
图4为实施例1的天线的增益仿真结果示意图,由图可以看出,天线的增益大于4dBic。
图5为实施例1的天线的方向图的仿真结果示意图,为了直观的反映辐射特性的立体效果,在方位面上每隔10°切一平面,取样一次。共取样10次切出10个平面。由图可以看出这10个平面重合度很好,反映出天线的三维方向图呈半球形圆对称,副瓣电平在-30dB以下,相位中心稳定,漂移在毫米量级。
图5-1中给出的频点为1115MHz,
图5-2中给出的频点为1207MHz,
图5-3中给出的频点为1246MHz
图5-4中给出的频点为1268MHz
图5-5中给出的频点为1500MHz
图5-6中给出的频点为1561MHz
图5-7中给出的频点为1575MHz
图5-8中给出的频点为1602MHz
图5-9中给出的频点为1630MHz
图6为实施例1的天线圆极化特性的仿真结果示意图,由图所见,在0°方向上圆极化轴比小于1dB。在接近90°的俯仰面内,圆极化轴比在3dB以内。该天线一般称之为低副瓣天线,有利于抗多路径效应。图6中,各图曲线显示了较高的重合度。
图6-1中给出的频点为1115MHz,
图6-2中给出的频点为1207MHz,
图6-3中给出的频点为1246MHz
图6-4中给出的频点为1268MHz
图6-5中给出的频点为1500MHz
图6-6中给出的频点为1561MHz
图6-7中给出的频点为1575MHz
图6-8中给出的频点为1602MHz
图6-9中给出的频点为1630MHz
具体实施方式
如在背景技术部分所提及,现有技术的层叠式设计有诸多不利之处。要想解决叠层问题就必须突破微带天线的频带瓶颈,微型天线是谐振式天线,为了突破这种天线的频带瓶颈,本发明充分考虑了激励。本发明提供了一种容性耦合激励方法,把微带天线的工作带宽扩大到40%以上,实现了约500MHz的工作带宽,从而实现了用一副天线覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略,四***的愿望。这种激励方法不仅可以扩频而且又可以将天线的外形尺寸减小30%,从而开启了微带天线的小型化之门。该种天线是背馈的一种变形,它既保留了背馈的结构简单的特点又结合了容性耦合的特点。
卫星导航***终端用宽带小型微带天线***是一个有源***,该***主要由宽带微带天线、馈电网络、低噪放和天线罩等组成,如图1所示。
实施方式一:线型耦合缝隙
卫星导航***终端微带天线,包括贴片、介质基材和激励探针,介质基材包括第一介质基材和第二介质基材,第一介质基材介电常数为16,第二介质基材介电常数为10.2,两者之差大于5。
第一介质基材设置于贴片和激励探针之间,贴片带有耦合缝隙,耦合缝隙的一端设置于贴片边缘;
激励探针包括横向部分和纵向部分;激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合(简称容性耦合),纵向部分穿过第二介质基材,纵向部分具有外部电路连接端。贴片的耦合缝隙为中心对称分布的直线缝隙,形成正交结构,探针的横向部分平行于耦合缝隙。
所述探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面,且横向部分中心对称分布,横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片,探针的纵向部分垂直于横向部分,纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端,且各探针的纵向部分彼此平行。
所述贴片为正方形贴片,贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙。本实施方式具有4个馈电端口,相位分别为0°、90°、180°、270°。
实施方式二:T型耦合缝隙
本实施方式与实施方式一的区别是,本实施例的每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙,所述扩展缝隙垂直于直线缝隙,且与直线缝隙相交于扩展缝隙的中点,探针的横向部分平行于直线缝隙。
本发明的微带天线是谐振式天线,采用容性耦合激励的微带天线的工作原理和普通微带天线一样,当贴片的尺寸等于介质中波长时,形成波辐射,如图3所示。
图3中参数:
L为方贴片的边长
h1为上层介质基材的厚度,即为激励探针弯折部分(横向部分)与贴片之间的耦合距离。
h2为下层介质基材的厚度
W为方形基材的边长
L1为激励探针弯折部分的长度
实施例1:参见图1、图2b。
本实施例各项参数如下:
选用介质基材的介电常数分别为:Er=16(上层)、Er=10.2(下层)
L+L1=0.48λgmax
式中
λmax是最低工作频率的波长
Er是介质基材的介电常数
在高介电常数的情况下,介质基材的厚度约为0.14λgmax。天线的贴片可以做成方形、也可以做成圆形,做成方形时,介质基材的边长约为1.3—1.4L。做成圆形时,介质基材的直径为1.4-1.5L,激励探针弯折部分与方贴片的耦合距离约为0.02λgmax。
当给定工作频率范围,和选定介质基材以后,可按上述公式计算出天线的初始设计数据。然后利用HFSS电磁工程软件进行仿真优化。最终确定天线的技术设计参数。本实施例的宽带小型微带天线采用正方形贴片。
卫星导航***终端天线的最低工作频率为:1200MHz,选用的介质基材为2种,上层贴片采用介电常数为16的介质基材,厚度为h1,下层激励部分选用的介电常数为10.2的基材,厚度为h2。
在这种容性耦合探针激励的情况下,尺寸为:
方贴片的边长L=23.67mm
激励探针弯折部分L1=9.4mm
耦合探针弯折部分与贴片之间的耦合距离:h1=1.38mm
介质基材的总厚度h=9.66mm
方形基材的边长W=30.77mm
为了改善天线的低频性能,在辐射器表面的对称方向上开有4条宽度为0.3-0.4mm的T型缝隙。
为了解决相位中心稳定问题,本发明采用对称性四端口馈电。为了实现良好的圆极化特性,四端口幅度一致,相位分别为0°,90°,180°270°,形成右旋圆极化。
经过HFSS电磁工程软件仿真优化的结果是:
方贴片的边长 L=22mm
激励探针弯折部分 L1=7.5mm
耦合探针弯折部分与贴片之间的耦合距离 h1=1mm
天线的总高度 h=h1+h2=9mm
h2=8mm
方形基材的边长 W=30mm
这样宽带微带天线的外形尺寸为:30mm X 30mm X 10mm。(未计接头和馈电网络尺寸)
馈电网络设计:
为了实现四端口馈电的幅度相等,相位分别为0°,90°,180°,270°,设计了一套以电桥为主的馈电网络。该网络主要由两个90°电桥和一个180°电桥构成。
具体实施方式中的参数为优选的参数,不应理解为对权利范围的限制,对实施方式中的参数数值略作调整也可实现与本发明相近的效果。本发明的贴片优选为正方形,也可采用其他几何形状,例如圆形、六边形甚至不规则形状。