CN106877006B - 领结型十字交叉振子天线 - Google Patents

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Abstract

一种领结型十字交叉振子天线，包括同轴馈线、反射腔和四个振子单元，四个振子单元的外形尺寸相同且均为夹角为60度的扇形，四个振子单元呈领结型十字交叉分布，四个振子单元其四条弧形外边在同一圆周上且相邻振子单元间的夹角为90度，振子单元均包括扇形的介质基板，介质基板上下两侧面均贴附有铜贴片，每个振子单元上均开设有自其中部且延伸至其弧形外边的方形槽，四个振子单元连接在一起组成领结型十字交叉振子天线单元后通过一同轴馈电装置支撑在反射腔的口面上，所述反射腔底部的中心位置开设有安装孔，同轴馈电装置的底端穿过安装孔与SMA接口连接。本发明在单馈结构下实现了宽带特性，可覆盖北斗及GPS导航***双模多频点，天线增益高。

Description

领结型十字交叉振子天线
技术领域
本发明涉及一种天线，特别是一种应用于GPS及北斗导航***中的天线。
背景技术
在GPS及北斗导航领域，国内外近年来在天线方面的实现途径主要包括以下几方面：
一、螺旋天线。螺旋天线及其变形结构因其自身的圆极化特性以及宽带特性，常被应用于导航***。阿基米德螺旋天线以及等角螺旋天线和它们的组合结构，在性能方面比较优异，但其尺寸难以压缩，剖面较高。
二、微带天线。通过对微带辐射贴片切角以及馈点设计等，可以实现圆极化，并且微带天线结构有较大的改进空间，剖面低，成本低，易与馈电网络结合，通常设计为多层结构，运用于导航***中。其具有尺寸小、易共形等特点。微带天线因为结构和辐射机理限制，其带宽以及天线增益通常受到限制。
三、十字交叉振子天线。因为其本身的结构可以较好的实现双极化和圆极化特性，通过改变其自身的结构也可以实现宽带、多频等特性。此外，其具有较好的辐射特性，通过对背腔的调节可以实现对波束的调控以及对增益的改善。
四、组合型天线。一般通过对十字交叉振子天线以及微带天线的组合，实现多频或者宽带特性。组合型天线结构复杂，一般尺寸大、剖面高，体积重量方面没有优势。
发明内容
现有技术存在的以下缺陷：当前卫星导航用户机宽带天线以双馈或者四馈的结构为主，馈电结构复杂，对空间占用较大，对工艺要求高；其带宽较窄，仅有0.8-1.5GHz，轴比带宽更是只有0.4-0.6GHz，难以同时覆盖多个导航***；增益较低，一般只能达到6dBi，效率不高。为了克服上述缺陷，本发明的目的是提出一种领结型十字交叉振子天线，在单馈的结构下实现了宽带特性，可覆盖北斗及GPS导航***双模多频点，天线增益高。
本发明的技术方案是：
一种领结型十字交叉振子天线，其特征在于：包括同轴馈电装置、反射腔和四个振子单元，四个振子单元的外形尺寸相同且均为夹角为60度的扇形，四个振子单元呈领结型十字交叉分布，四个振子单元其四条弧形外边在同一圆周上且相邻振子单元间的夹角为90度，振子单元均包括扇形的介质基板，介质基板上下两侧面均贴附有铜贴片，每个振子单元上均开设有自其中部且延伸至其弧形外边的方形槽，四个振子单元连接在一起组成领结型十字交叉振子天线单元后通过一同轴馈电装置支撑在反射腔的口面上，所述反射腔底部的中心位置开设有安装孔，同轴馈电装置的底端穿过安装孔与SMA接口连接。
作为本发明的优选方案，本发明中所述同轴馈电装置包括同轴内芯和同轴外壳。
作为本发明的优选方案，本发明中所述四个振子单元中每两个振子单元为一体成型的整体结构，一体成型的两个振子单元之间通过一具有开口的圆环形连接环连接为一体且其中一个振子单元的内端设有向中心延伸的连接片，两组所述带有两个振子单元的整体结构上下错位叠置且通过连接片上下连接在一起即组成了领结型十字交叉振子天线单元。
作为本发明的优选方案，本发明中连接片远离其所在振子单元的一端为半圆形端头，两组所述带有两个振子单元的整体结构上下错位叠置后上下两个连接片半圆形端头的圆心均与四个振子单元其四条弧形外边所在圆周的圆心重合且在同轴馈电装置的轴线的延伸线上。
作为本发明的优选方案，本发明中所述方形槽的尺寸越大，圆极化效应越好，轴比带宽越宽。
作为本发明的优选方案，本发明中：可通过改变方形槽的长度以及槽宽，使得天线在需要的频段上圆极化效果最优，随着槽宽的增大天线的轴比效果增强，中心频率向低频偏移；随着方形槽长度的增加，天线的带宽增加，谐振效果增强，中心频率向高频偏移。
作为本发明的优选方案，本发明中：所述反射腔为圆台型空腔，所述反射腔底面为圆形，反射腔的顶部端口面也为圆形，且顶部端口面的直径大于底面直径，反射腔以其顶部端口面圆心和其底面圆心之间的连线为轴线呈轴对称结构。
作为本发明的优选方案，本发明中：所述反射腔顶部端口面半径为60mm，底面半径为50mm，反射腔高度为44mm。
作为本发明的优选方案，本发明中：所述四个振子单元其四条弧形外边所在圆周的直径等于反射腔顶部端口面半径，领结型十字交叉振子天线单元的支撑高度等于反射腔高度。
作为本发明的优选方案，本发明中：改变反射腔的结构可以改变天线的增益，频段以及带宽，其中反射腔越深即反射腔的高度越高，带宽越宽，增益越低；反射腔的面积越大(通过增大反射腔的底面半径、反射腔顶部端口面半径或/和反射腔的高度可以增大反射腔的面积)，增益越高，带宽越窄。需调节反射腔体尺寸以达到最佳效果。
本发明的有益技术效果：
本发明结构新颖，易于加工制作。其设计的领结形十字交叉振子天线在单馈的结构下实现了更宽的带宽，可覆盖北斗及GPS导航***双模多频点，天线增益高。本发明提高了天线的带宽。带宽达到22.45％，轴比带宽达到10.9％，相比一般窄带十字交叉振子带宽7.6％提高了40％。
本发明目前主要设计应用于北斗及GPS卫星导航领域，该天线在北斗和GPS多频段实现了轴比特性优异的圆极化，同时因其带宽较宽，可以推广运用于其它无线通信***。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖面示意图；
图3为本发明其振子单元的结构示意图(一)；
图4为本发明领结型十字交叉振子天线单元的结构示意图(一)；
图5为本发明其振子单元的结构示意图(二)；
图6为本发明领结型十字交叉振子天线单元的尺寸结构示意图(二)。
图中：1、反射腔；2、振子单元；3、方形槽；4.同轴馈电装置；5、领结型十字交叉振子天线单元；6、连接片；7、圆环形连接环；8、半圆形端头
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
参照图1，为本发明的结构示意图。一种领结型十字交叉振子天线，包括同轴馈电装置4、反射腔1和四个振子单元2。本发明采用采用同轴单馈点馈电，增加反射背腔，从而控制波束以及天线增益。所述同轴馈电装置4包括同轴内芯和同轴外壳。四个振子单元2的外形尺寸相同且均为夹角为60度的扇形，扇形的尺寸决定了天线的频带，其结构决定了天线的带宽。四个振子单元2呈领结型十字交叉分布，四个振子单元2其四条弧形外边在同一圆周上且相邻振子单元2间的夹角为90度。参照图4，四个振子单元2连接在一起组成领结型十字交叉振子天线单元5。参照图6，领结型十字交叉振子天线单元5的直径为D，本实施例中：D＝62mm。
参照图1和图2，该天线使用Rogers RT5880，介质常数为2.2，正切损耗角为0.0009。振子单元2均包括扇形的介质基板，介质基板的上下两侧分别分布着厚度为0.035mm的铜贴片。每个振子单元2上均开设有自其中部且延伸至其弧形外边的方形槽3。方形槽的尺寸会对圆极化效果进行改变，改变振子上的电流分布，随着开槽尺寸的增加，圆极化效应越好，轴比带宽越宽。通过改变槽的长度(w2)以及槽宽(L),使得天线在需要的频段上圆极化效果最优，随着L的增大天线的轴比效果增强，中心频率向低频偏移；随着w2的增加，天线的带宽增加，谐振效果增强，中心频率向高频偏移。四个振子单元2连接在一起组成领结型十字交叉振子天线单元5后通过一同轴馈电装置4支撑在反射腔1的口面上，所述反射腔1底部的中心位置开设有安装孔，同轴馈电装置4的底端穿过安装孔与SMA接口9连接。
参照图2，本实施例的尺寸如下：D＝62mm,R1＝7.8mm,W1＝1.2mm,W2＝2.4mm,L＝6mm,H＝44mm,Hg＝44mm,w＝7mm,α＝30°。本发明在每个扇形振子单元中设置方形槽是优化圆极化的主要途径，能够很好的增加其圆极化3dB轴比带宽，使其增加到10.9％。开槽的尺寸直接影响到中心频率以及圆极化效果，槽得宽度(L)越宽，圆极化效果越好，中心频率向低频偏移，开槽的位置(w2)越高，3dB轴比带宽越宽，中心频率想高频偏移。
参照图3，本实施例中：所述四个振子单元2中每两个振子单元2为一体成型的整体结构。图3中包括两组分别带有两个振子单元的一体成型的整体结构。一体成型的两个振子单元2之间通过一具有开口的圆环形连接环7连接为一体且其中一个振子单元2的内端设有向中心延伸的连接片6。连接片6远离其所在振子单元的一端为半圆形端头8。两组所述带有两个振子单元2的整体结构上下错位叠置且通过连接片6上下连接在一起即组成了领结型十字交叉振子天线单元5，且上下两个连接片6的半圆形端头8的圆心均与领结型十字交叉振子天线单元5的圆心重合且在同轴馈电装置4的轴线的延伸线上。
参照图1和图2，反射腔1为圆台型空腔，所述反射腔底面为圆形，反射腔1的顶部端口面也为圆形，且顶部端口面的直径大于底面直径，反射腔1以其顶部端口面圆心和其底面圆心之间的连线为轴线呈轴对称结构。本实施例中：反射腔顶部端口面半径为60mm，底面半径为50mm，反射腔高度为44mm。改变反射腔的结构可以改变天线的增益，频段以及带宽。
领结型十字交叉振子天线单元5的外边所在圆周的直径等于反射腔顶部端口面半径，领结型十字交叉振子天线单元5的支撑高度等于反射腔高度。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。

Claims (9)

1.一种领结型十字交叉振子天线，其特征在于：包括同轴馈电装置、反射腔和四个振子单元，四个振子单元的外形尺寸相同且均为夹角为60度的扇形，四个振子单元呈领结型十字交叉分布，四个振子单元其四条弧形外边在同一圆周上且相邻振子单元间的夹角为90度，振子单元均包括扇形的介质基板，介质基板上下两侧面均贴附有铜贴片，每个振子单元上均开设有自其中部且延伸至其弧形外边的方形槽，所述四个振子单元中每相邻的两个振子单元为一体成型的整体结构，一体成型的两个振子单元之间通过一具有开口的圆环形连接环连接为一体且其中一个振子单元的内端设有向中心延伸的连接片，两组所述带有两个振子单元的整体结构上下错位叠置且通过连接片上下连接在一起即组成了领结型十字交叉振子天线单元，四个振子单元连接在一起组成领结型十字交叉振子天线单元后通过一同轴馈电装置支撑在反射腔的口面上，所述反射腔底部的中心位置开设有安装孔，同轴馈电装置的底端穿过安装孔与SMA接口连接。
2.根据权利要求1所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：所述同轴馈电装置包括同轴内芯和同轴外壳。
3.根据权利要求1所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：连接片远离其所在振子单元的一端为半圆形端头，两组所述带有两个振子单元的整体结构上下错位叠置后上下两个连接片半圆形端头的圆心均与四个振子单元其四条弧形外边所在圆周的圆心重合且在同轴馈电装置的轴线的延伸线上。
4.根据权利要求1、2或3所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：所述方形槽的尺寸越大，圆极化效应越好，轴比带宽越宽。
5.根据权利要求1、2或3所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：通过改变方形槽的长度以及槽宽，使得天线在需要的频段上圆极化效果最优，随着槽宽的增大天线的轴比效果增强，中心频率向低频偏移；随着方形槽长度的增加，天线的带宽增加，谐振效果增强，中心频率向高频偏移。
6.根据权利要求1、2或3所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：反射腔为圆台型空腔，所述反射腔底面为圆形，反射腔的顶部端口面也为圆形，且顶部端口面的直径大于底面直径，反射腔以其顶部端口面圆心和其底面圆心之间的连线为轴线呈轴对称结构。
7.根据权利要求6所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：反射腔顶部端口面半径为60mm，底面半径为50mm，反射腔高度为44mm。
8.根据权利要求6所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：四个振子单元其四条弧形外边所在圆周的直径等于反射腔顶部端口面半径，领结型十字交叉振子天线单元的支撑高度等于反射腔高度。
9.根据权利要求6所述的领结型十字交叉振子天线，其特征在于：改变反射腔的结构能够改变天线的增益，频段以及带宽，其中反射腔越深即反射腔的高度越高，带宽越宽，增益越低；反射腔的面积越大，增益越高，带宽越窄。
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