CN105789917A - 一种多频多模手持机导航型天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频多模手持机导航型天线，该天线具备北斗B1频点和RDSS‑L频点的发射功能，以及S频点的接收功能，天线采用层叠式结构，使用高阶电复合微波介质材料可以有效减小天线尺寸，而且介质表面波能够展宽微带天线的波束宽度；并采用多个馈电对微带天线进行馈电，由馈电网络保证天线的圆极化性能，可以有效提高输入阻抗和圆极化轴比带宽，保证天线的圆极化特性，具备高稳定天线相位中心。

Description

一种多频多模手持机导航型天线

技术领域

本发明涉及手持机导航型天线技术领域，特别涉及一种多频多模手持机导航型天线，可与多模多频手持型OEM板配套使用，应用于手持式小型化导航型终端。

背景技术

天线作为导航定位***必不可缺少的一部分，它决定着导航定位***的性能。对于全球定位***中的用户接收机来说，为保证定位精度，能够接收到地平面上的卫星数目越多越好，一般要求能够接收较低仰角(通常要求为10°)以上的所有天空中的卫星信号。因此，天线在这个空间内要对卫星信号最好具有均匀的响应，当低于接收高度时，为抑制严重的多路径效应和对流层效应，天线响应需要迅速截止，这对天线的前后比又提出较高的要求。另外导航定位信号是在空地之间传输的，为消除电离对信号的法拉第旋转效应，辐射信号采用的是圆极化工作。因此，为减小接收信号的极化失配损失，天地也应采用相应旋向的圆极化方式。这些应用要求都对导航用户接收机天线提出了非常特别且难度很大的技术要求。

常用天线包括微带贴片天线、四线螺旋天线、圆锥螺旋天线和十字交叉偶极子天线等。普通的微带贴片天线具有心形方向图、低损耗、低轮廓和重量轻、易共形等优点，但其波束宽度一般在80°左右，在低仰角时(仰角为10°)增益在-10～-7dB之间，不能满足接收天线所需要的半球形覆盖方向图特性。而四线螺旋天线、圆锥螺旋天线和十字交叉偶极子天线一般较大，不适合小型化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多频多模手持机导航型天线，该天线采用层叠式结构，使用高阶电复合微波介质材料可以有效减小天线尺寸，而且介质表面波能够展宽微带天线的波束宽度；并采用多个馈电对微带天线进行馈电，由馈电网络保证天线的圆极化性能，可以有效提高输入阻抗和圆极化轴比带宽，保证天线的圆极化特性，具备高稳定天线相位中心。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种多频多模手持机导航型天线，包括S天线、L天线和B1天线，以及馈电网络基板和三个天线对外的接插件；其中：

S天线包括S天线PCB辐射基板和S天线馈电探针，L天线包括L天线PCB辐射基板、L天线双馈电探针和L天线馈电网络，B1天线包括B1天线PCB辐射基板、B1天线双馈电探针和B1天线馈电网络；L天线馈电网络和B1天线馈电网络印制在馈电网络基板的下表面；S天线、L天线和B1天线的微带贴片印刷在各自辐射基板的上表面上，S天线采用单点馈电方式，L天线和B1天线采用双馈电方式；

每个天线的PCB辐射基板和馈电探针焊接为一体，三个天线的辐射基板叠层分布，其中：S天线PCB辐射基板位于最上层，S天线馈电探针依次穿过L天线PCB辐射基板、B1天线PCB辐射基板和馈电网络基板，与S天线的接插件相连；L天线PCB辐射基板位于S天线PCB辐射基板之下，L天线双馈电探针穿过B1天线PCB辐射基板和馈电网络基板，并与L天线馈电网络的输入端相连；B1天线PCB辐射基板位于L天线PCB辐射基板之下，B1天线双馈电探针穿过馈电网络基板，并与B1天线馈电网络的输入端相连；L天线馈电网络和B1天线馈电网络的输出端分别与L天线接插件和B1天线接插相连。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，S天线、L天线和B1天线对外的接插件固定在接插件焊接板上，手持机底板上设置有各接插件的穿孔，三个接插接穿过所述穿孔，然后将S天线、L天线、B1天线、馈电网络基板、接插件焊接板作为整体与手持机底板固定连接。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，S天线PCB辐射基板、L天线PCB辐射基板和B1天线PCB辐射基板的介质材料的介电常数为6～10，且S天线PCB辐射基板、L天线PCB辐射基板和B1天线PCB辐射基板的基板面积由小到大排列。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，S天线PCB辐射基板和L天线PCB辐射基板的上表面涂覆银层，B1天线PCB辐射基板的上表面和下表面均涂覆银层。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，L天线微带贴片上开设有S天线馈电探针穿过时的穿孔，B1天线微带贴片上开设有S天线馈电探针和L天线双馈电探针穿过时的穿孔，且探针穿过辐射基板时与微带贴片不接触。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，S天线馈电探针焊接在S天线微带贴片几何中心，并在所述S天线微带贴片的两个对角上进行切角处理。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，S天线微带贴片在S天线馈电探针焊接位置周围开设有U型槽，并在S天线微带贴片的四周设置四个尺寸相同的长方形微带线，其中，两个所述微带线关于贴片X轴对称，另外两个微带线关于贴片Y轴对称。

在上述的多频多模手持机导航型天线中，三个层叠的PCB辐射基板之间通过导电胶粘接为一体。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、本发明的天线具备北斗B1频点和RDSS-L频点的发射功能，以及S频点的接收功能，三个频段天线采用层叠式结构，使用高阶电复合微波介质材料可以有效减小天线尺寸，而且介质表面波能够展宽微带天线的波束宽度；

(2)、本发明采用多个馈电对微带天线进行馈电，由馈电网络保证天线的圆极化性能，可以有效提高输入阻抗和圆极化轴比带宽，保证天线的圆极化特性，具备高稳定天线相位中心。

附图说明

图1为本发明多频多模手持机导航型天线的结构示意图；

图2为本发明S天线PCB辐射基板的结构图；

图3为本发明L天线PCB辐射基板的结构图；

图4为本发明B1天线PCB辐射基板的结构图；

图5a为本发明馈电网络层上表面示意图；

图5b为本发明馈电网络层下表面印刷的馈电网络示意图；

图6a、6b、6c分别为本发明中S天线、L天线和B1天线电压驻波比结果；

图7a、7b分别为本发明S天线与L天线、B1天线和L天线之间的隔离度结果；

图8a、8b、8c分别为本发明中为S天线、L天线、B1天线仰角10°极化增益结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

为了可以满足北斗B1频点和RDSS-L频点的发射需求，以及S频点的接收需求，并解决天线小型化和低仰角增益之间的矛盾，本发明提出了一种多频多模手持机导航型天线，该天线采用叠层式结构，天线类型选用微带贴片天线，将三个工作在不同频率的微带贴片天线依次按照对称中心叠加在一起，座落在一定规格的反射板表面。B1天线和L天线采用的是双馈点给微带贴片天线馈电，以激励一对极化正交的简并模，形成圆极化波；S天线采用的是单馈点方式，结合曲流开槽技术、切角微扰技术和馈点位置的选择实现圆极化；每个天线都连接独立的射频接插件。

如图1所示，本发明的多频多模手持机导航型天线包括包括S天线、L天线和B1天线，以及馈电网络基板7、接插件焊接板9和手持机底板11。其中:S天线包括S天线PCB辐射基板1和S天线馈电探针2，L天线包括L天线PCB辐射基板3、L天线双馈电探针4和L天线馈电网络，B1天线包括B1天线PCB辐射基板5、B1天线双馈电探针6和B1天线馈电网络。L天线馈电网络和B1天线馈电网络焊接在馈电网络基板7的底部上，三个天线的接插件10焊接在接插件焊接板9上。

其中，S天线PCB辐射基板1和S天线馈电探针2焊接为一体，作为S频段的辐射基板和馈电探针；L天线PCB辐射基板3和L天线双馈电探针4焊接为一体，作为L频段的辐射基板和馈电探针；B1天线PCB辐射基板5和B1天线双馈电探针6焊接为一体，作为B1频段的辐射基板和馈电探针。这三个天线的辐射基板叠层分布，自上而下依次为S天线PCB辐射基板1、L天线PCB辐射基板3、B1天线PCB辐射基板5，各PCB板间通过导电胶粘接为一体。

其中，S天线馈电探针2自上而下依次穿过L天线PCB辐射基板3和B1天线PCB辐射基板5，并与S天线的接插件相连；L天线双馈电探针4穿过B1天线PCB辐射基板5和馈电网络基板7，与L天线馈电网络的输入端相连；B1天线双馈电探针6穿过馈电网络基板7，与B1天线馈电网络的输入端相连；L天线馈电网络和B1天线馈电网络的输出端分别与L天线接插件和B1天线接插相连。S天线、L天线和B1天线对外的接插件固定在接插件焊接板9上，手持机底板11上设置有各接插件的穿孔，三个接插接穿过所述穿孔，然后通过螺钉12将S天线、L天线、B1天线、馈电网络基板7、接插件焊接板9作为整体与手持机底板11固定连接。

如图2所示为S天线PCB辐射基板1的结构图，本实施例中该基板的尺寸(长×宽×高)为21mm×21mm×2.5mm，该辐射基板的上表面上印刷S天线微带贴片。本发明中，S天线采用单馈点馈电方式，由于S天线的馈电探针需要穿过L天线和B1天线，如果采用传统的单馈点馈电方式，即延着X轴或者Y轴一定距离加载馈针，这种方式即使采用绝缘处理也会对L天线和B1天线产生很强的耦合。因此本发明采用零电流点加载馈电探针的方式，即将S天线馈电探针加载在微带贴片单元的几何中心，此处产生的辐射较小，可视为零电流点。这种在零电流位加载探针的方式可以降低S天线对L天线和B1天线产生的耦合，但会导致S天线阻抗匹配较差、辐射效能变差的问题，因此本发明在S天线微带贴片的边沿以X轴和Y轴为对称轴，设置四个尺寸相同的长方形微带线，等效于加载四个接地的LC串联谐振器，帮助改善S天线匹配。另外，在零电流位加载探针的方式会导致天线电抗值非常高，具有很大的感抗，因此本发明在馈电点加载的位置周围引入U型缝隙，等效于使用等效电容抵消感抗值，从而达到阻抗匹配的效果，调节该U型缝隙的大小和距离馈电点的位置能够改善S天线辐射效能。S天线采用的是单馈点方式，由一个馈电点可产生极化正交幅度相等的两个简并模，但不能形成90°的相位差，为了在简并模之间形成90°的相位差，本发明在规则的贴片单元上引入一个简并模分离单元，即在贴片单元的两个对角上进行切角，使简并正交模的谐振频率产生分离，手持机天线工作频率优化在两个频率之间，形成一个简并模的等效阻抗相位角超前45°，而另一个模的等效阻抗相位角滞后45°，这样就形成了圆极化辐射。

如图3所示为L天线PCB辐射基板3的结构图，本实施例中该基板的尺寸(长×宽×高)为29mm×29mm×4mm。该辐射基板的上表面上印刷有L天线正方形微带贴片，并采用双馈电为该微带贴片馈电，以激励一对极化正交的简并模形成圆极化波，由馈电网络保证天线的圆极化性能，可以有效提高输入阻抗和圆极化轴比带宽，保证天线的圆极化特性，具备高稳定天线相位中心。L天线双馈电探针4穿过B1天线PCB辐射板5连接位于馈电网络层7底部的馈电网络输入端。该馈电网络采用3dB电桥8将输入的信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，从而提高圆极化天线的轴比，同时可以改善B1天线和L天线之间的隔离度。

如图4所示为B1天线PCB辐射基板5的结构图，本实施例中该基板的尺寸(长×宽×高)为35mm×35mm×1mm。该辐射基板的上表面上印刷有L天线正方形微带贴片，并且为了小型化将贴片的四角切掉一定形状。B1天线采用双馈电为B1微带贴片馈电，以激励一对极化正交的简并模形成圆极化波，由馈电网络保证天线的圆极化性能，可以有效提高输入阻抗和圆极化轴比带宽，保证天线的圆极化特性，具备高稳定天线相位中心。B1天线双馈电探针6连接位于馈电网络层7底部的馈电网络输入端。该馈电网络采用3dB电桥8将输入的信号分为两个互为等幅且具有90°相位差的信号，从而提高圆极化天线的轴比。

在发明中，为了实现小型化天线单元设计，S天线PCB辐射基板1、L天线PCB辐射基板3和B1天线PCB辐射基板5的介电常数取值范围为6～10，这三个辐射基板的面积由小到大排列。对于基片厚度为h，天线工作频率为f，以及有较高效率的辐射天线，其实用宽度W为：

$W=\frac{c}{2f}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}\right)}^{-1/2}$

式中，c是波在空气中的传播速度，ε_r是介质基片的介电常数。因此，一旦知道了贴片宽度W，则可以算出贴片单元的长度L为：

$L-\frac{c}{2f\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_e}}-2\mathrm{\Δ}L$

式中，ε_e和ΔL分别是等效介电常数和贴片归一化线伸长度，其计算公式如下：

${\mathrm{\ϵ}}_e=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r+1}{2}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_r-1}{2}{\[1+12\frac{h}{w}\]}^{-1/2}$

$\frac{\mathrm{\Δ}L}{h}=0.412\frac{({\mathrm{\ϵ}}_e+0.3)(W/h+0.264)}{({\mathrm{\ϵ}}_e-0.268)(W/h+0.8)}$

通过以上公式即可算出工作频率所对应的贴片单元大小，这个值是较理论的值，实际应用需要结合软件辅助工具进行优化。在本实施例中，采用高阶电复合微波介质基板，该基板是聚苯醚树脂添加复合陶瓷粉混合工艺，属于聚苯醚树脂的改性产品。聚苯醚树脂的介电常数较小，通常在2.1-3.5，不能满足产品性能要求，因此需要大介电常数填充材料调节聚苯树脂的介电常数，这类产品被称为复合微波介质基板的高介电常数指标值定义在6～10。

在本发明中，三个辐射基板的上表面均覆银层，仅有B1天线在辐射基本背面覆满银层作为B1天线自有的反射板。依据James J.R的研究，使用介质基板的介电常数约等于10，若基板的厚度除以天线工作波长即h/λ_o>0.02，沿着横向(即天线平面的法向)介质表面波的激励将相当可观，出现波间的强耦合，S天线和L天线的设计基于这一研究能够借助介质表面波展宽微带天线的波束宽度。

在本发明中，为了确保天线间的隔离度，L天线PCB辐射基板3和B1天线PCB辐射基板5上印刷的微带贴片上设置有馈电探针的穿孔，在确保微带天线辐射特性的条件下，调整该穿孔的孔径大小，使得馈电探针穿过微带贴片时互相不接触，从而确保各天线之间的隔离。

如图5所示为馈电网络层7的结构图，本实施例中的尺寸(长×宽×高)为35mm×35mm×1mm。

图6a～6c所示为S天线、L天线和B1天线电压驻波比结果。S天线电压驻波比在带内最大值为1.166；L天线电压驻波比在带内最大值为1.2；B1天线电压驻波比在带内最大值为1.396。手持机三频天线的电压驻波比均控制在1.5以内，本发明完成很好的匹配特性。

图7a、7b所示为S天线与L天线、B1天线和L天线之间的隔离度结果。S天线与L天线之间在中心频点上的隔离度为32.38dB；B1天线和L天线在中心频点上的隔离度为45.41dB，两个重要指标均超出20dB设计要求10dB以上，实现很好的隔离效果，避免了不同频点天线之间由于叠加干扰而产生的耦合。

图8a～8c所示为S天线、L天线、B1天线仰角10°极化增益结果。S天线在仰角10°极化增益结果最小值为-0.92dB；L天线在仰角10°极化增益结果最小值为-1.56dB；B1天线在仰角10°极化增益结果最小值约为-4dB。手持机三频天线在仰角10°方向上天线的增益均优于-5dB,很好的改善微带天线在低仰角增益不足的缺陷，实现手持机天线所需要的半球形覆盖方向图特性。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，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揭露的技术范围内，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。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：包括S天线、L天线和B1天线，以及馈电网络基板(7)和三个天线对外的接插件；其中：

S天线包括S天线PCB辐射基板(1)和S天线馈电探针(2)，L天线包括L天线PCB辐射基板(3)、L天线双馈电探针(4)和L天线馈电网络，B1天线包括B1天线PCB辐射基板(5)、B1天线双馈电探针(6)和B1天线馈电网络；L天线馈电网络和B1天线馈电网络印制在馈电网络基板(7)的下表面；S天线、L天线和B1天线的微带贴片印刷在各自辐射基板的上表面上，S天线采用单点馈电方式，L天线和B1天线采用双馈电方式；

每个天线的PCB辐射基板和馈电探针焊接为一体，三个天线的辐射基板叠层分布，其中：S天线PCB辐射基板(1)位于最上层，S天线馈电探针(2)依次穿过L天线PCB辐射基板(3)、B1天线PCB辐射基板(5)和馈电网络基板(7)，与S天线的接插件相连；L天线PCB辐射基板(3)位于S天线PCB辐射基板(1)之下，L天线双馈电探针(4)穿过B1天线PCB辐射基板(5)和馈电网络基板(7)，并与L天线馈电网络的输入端相连；B1天线PCB辐射基板(5)位于L天线PCB辐射基板(3)之下，B1天线双馈电探针(6)穿过馈电网络基板(7)，并与B1天线馈电网络的输入端相连；L天线馈电网络和B1天线馈电网络的输出端分别与L天线接插件和B1天线接插相连。

2.根据权利要求1所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：S天线、L天线和B1天线对外的接插件固定在接插件焊接板(9)上，手持机底板(11)上设置有各接插件的穿孔，三个接插接穿过所述穿孔，然后将S天线、L天线、B1天线、馈电网络基板(7)、接插件焊接板(9)作为整体与手持机底板(11)固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：S天线PCB辐射基板(1)、L天线PCB辐射基板(3)和B1天线PCB辐射基板(5)的介电常数为6～10，且S天线PCB辐射基板(1)、L天线PCB辐射基板(3)和B1天线PCB辐射基板(5)的基板面积由小到大排列。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：S天线PCB辐射基板(1)和L天线PCB辐射基板(3)的上表面涂覆银层，B1天线PCB辐射基板(5)的上表面和下表面均涂覆银层。

5.根据权利要求1至3之一所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：L天线微带贴片上开设有S天线馈电探针(2)穿过时的穿孔，B1天线微带贴片上开设有S天线馈电探针(2)和L天线双馈电探针(4)穿过时的穿孔，且探针穿过辐射基板时与微带贴片不接触。

6.根据权利要求1至3之一所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：S天线馈电探针(2)焊接在S天线微带贴片几何中心，并在所述S天线微带贴片的两个对角上进行切角处理。

7.根据权利要求6所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：S天线微带贴片在S天线馈电探针焊接位置周围开设有U型槽，并在S天线微带贴片的四周设置四个尺寸相同的长方形微带线，其中，两个所述微带线关于贴片X轴对称，另外两个微带线关于贴片Y轴对称。

8.根据权利要求1至3之一所述的一种多频多模手持机导航型天线，其特征在于：三个层叠的PCB辐射基板之间通过导电胶粘接为一体。