CN114843756A - 一种导航全频段高精度空气耦合天线 - Google Patents

一种导航全频段高精度空气耦合天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导航全频段高精度空气耦合天线,包括高频天线辐射器、低频天线辐射器、金属耦合片、移相器网络板,低频天线辐射器与高频天线辐射器上下堆叠设置,用于将接收到的耦合能量辐射出去;金属耦合片安装于高频天线辐射器和低频天线辐射器之间,金属耦合片分别与高频天线辐射器、低频天线辐射器通过空气耦合馈电;移相器网络板安装于金属耦合片底部的天线辐射器下方,所述移相器网络板的移相电路的连接口通过馈针直馈到金属耦合片;馈针穿过金属耦合片底部的天线辐射器,馈针与所穿过的天线辐射器相互不接触。本发明的相位中心稳定,增益高,介电常数稳定,非常适用于卫星导航定位终端***。

Description

一种导航全频段高精度空气耦合天线
技术领域
本发明属于天线或卫星导航定位技术领域,涉及一种导航全频段高精度空气耦合天线。
背景技术
全球卫星导航***也叫全球导航卫星***(Global Navigation SatelliteSystem,GNSS),是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位***。
天线作为卫星导航定位***的终端信号接收器件,其性能直接影响整个***的工作状态。微带天线具有剖面低、重量小、体积小、易与载体共形和易于实现圆极化等优点,广泛应用于卫星导航定位终端***中。
随着需求的提升、应用场景的丰富,高精度卫星导航***得到了更加深入的研究与发展,并逐渐成为众多领域未来发展的重要基础之一。高精度相位中心天线作为高精度卫星导航***的终端天线,其相位中心的稳定性会显著影响***的定位精度和工作性能。
常规的导航***高精度天线方案使用两层微带天线叠加实现导航全频段覆盖,下层微带天线工作于L5(1176MHz)、B2(1207MHz)、L2(1227MHz)、G2(1247MHz)、B3(1268MHz)频段,上层天线工作于B1(1561MHz)、L1(1575MHz)、G1(1602MHz)频段,介质基材一般选用复合材料,成本较高,而且介电常数易受到材料的稳定性影响从而造成天线频偏影响性能。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种导航全频段高精度空气耦合天线,相位中心稳定,增益高,介电常数稳定,非常适用于卫星导航定位终端***,解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是,一种导航全频段高精度空气耦合天线,包括
高频天线辐射器,用于将接收到的耦合能量辐射出去;
低频天线辐射器,所述低频天线辐射器与高频天线辐射器上下堆叠设置,用于将接收到的耦合能量辐射出去;
金属耦合片,所述金属耦合片安装于高频天线辐射器和低频天线辐射器之间,金属耦合片分别与高频天线辐射器、低频天线辐射器通过空气耦合馈电;
移相器网络板,所述移相器网络板安装于金属耦合片底部的天线辐射器下方,所述移相器网络板的移相器电路赋以相邻的辐射臂之间90°的相位差,移相电路的连接口通过馈针直馈到金属耦合片;馈针穿过金属耦合片底部的天线辐射器,馈针与所穿过的天线辐射器相互不接触。
进一步的,所述高频天线辐射器、低频天线辐射器、金属耦合片、移相器网络板的中心同轴线。
进一步的,还包括天线罩,用于保护天线整体以及安装高频天线辐射器;
所述移相器网络板的下方设有金属底座,用于将后向杂散辐射反射回去;
所述移相器网络板、天线罩分别通过螺钉固定于金属底座上。
进一步的,所述金属耦合片包括多个间隔设置、对称分布的金属圆盘,每个金属圆盘通过对应的金属材质的馈针直连移相器网络板的移相电路的连接口。
进一步的,所述金属圆盘的半径为6~10mm。
进一步的,所述高频天线辐射器与金属耦合片的距离为1~4mm,低频天线辐射器与金属耦合片的距离为4~6mm。
进一步的,所述高频天线辐射器位于低频天线辐射器的上方,馈针穿过低频天线辐射器的部位开设有半径2.5~3.5mm的圆孔,保证馈针和低频天线辐射器不接触。
进一步的,所述移相器网络板与低频天线辐射器的距离为6~10mm。
进一步的,所述高频天线辐射器为方形金属片,边长为77~81mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折2.5~3.5mm。
进一步的,所述低频天线辐射器为方形金属片,边长为87~91mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折4~8mm。
本发明的有益效果是:
本发明通过空气耦合实现了导航全频段高精度天线,相位中心稳定,增益高,带宽大,非常适用于卫星导航定位终端***。其它方式的微带类天线板材的介电常数随着温度变化很大,也就是所谓的温漂,而且价格贵;本发明空气耦合天线的空气介电常数不随温度变化,克服了上述缺点,无论严寒酷暑或是卫星环境上都能使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的***图。
图3是本发明实施例中馈电网络的结构示意图。
图4是本发明实施例的天线驻波图。
图5a是本发明实施例的天线在工作频段分别为1.227GHz、1.268GHz的增益方向图。
图5b是本发明实施例的天线在工作频段分别为1.561GHz、1.575GHz、1.592GHz的增益方向图。
图6是本发明实施例的天线轴比图。
图7a是本发明实施例的天线在工作频段为1.227GHz的相位方向图。
图7b是本发明实施例的天线在工作频段为1.575GHz的相位方向图。
图中,1.高频天线辐射器,2.低频天线辐射器,3.移相器网络板,4.金属底座,5.金属耦合片,6.连接口,7.馈针。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例,
一种导航全频段高精度空气耦合天线,如图1-2所示,包括天线罩、高频天线辐射器1,金属耦合片5、低频天线辐射器2、移相器网络板3、金属底座4;
天线罩,用于保护天线整体以及安装高频天线辐射器1;
高频天线辐射器1、低频天线辐射器2,用于将接收到的耦合能量辐射出去;低频天线辐射器2与高频天线辐射器1上下堆叠设置;
金属耦合片5安装于高频天线辐射器1和低频天线辐射器2之间,金属耦合片5分别与高频天线辐射器1、低频天线辐射器2通过空气耦合馈电,且对高频天线辐射器1和低频天线辐射器2进行直接耦合,保证了耦合量,同时结构更紧凑;高频天线辐射器1与金属耦合片5的距离为1~4mm,低频天线辐射器2与金属耦合片5的距离为4~6mm。
其中,高频天线辐射器1和低频天线辐射器2的上下位置能调换,实施例中,高频天线辐射器1位于低频天线辐射器2的上方,高频天线辐射器1的尺寸小于低频天线辐射器2的尺寸,大尺寸的能够充当小尺寸的地。
如图3所示,移相器网络板3安装于低频天线辐射器2下方,移相器网络板3的移相电路的连接口6通过馈针7直馈到金属耦合片5;移相器网络板3采用FR4板材,信号从射频接口输入,分为四路输出,移相器电路赋以相邻的辐射臂之间90°的相位差,产生0°、90°、180°、270°的旋转馈电模式,实现0°、90°、180°、270°移相功能,同时考虑阻抗匹配;移相电路的连接口6通过对应的馈针7直馈到金属耦合片5,金属耦合片5带着90°的相位差电场能量再通过空气耦合到高频天线辐射器1、低频天线辐射器2,实现圆极化。其中,馈针7穿过低频天线辐射器2,馈针7穿过低频天线辐射器2的部位开设有半径2.5~3.5mm的圆孔,保证馈针7和低频天线辐射器2不接触;移相器网络板3与低频天线辐射器2的距离为6~10mm。
移相器网络板3的下方设有金属底座4,金属底座4将后向杂散辐射反射回去,起到降低后瓣辐射,提高天线增益的作用;移相器网络板3、天线罩分别通过螺钉固定于金属底座4上,使整个设计的组装简单方便;高频天线辐射器1、低频天线辐射器2、金属耦合片5、移相器网络板3的中心同轴线。
在一些实施例中,金属耦合片5包括多个间隔设置的金属圆盘,实现高精度定位,每个金属圆盘通过对应的馈针7直连到移相器网络板3上;金属圆盘的半径为6~10mm。在另一些实施例中,金属耦合片5包括四个半径为8mm金属圆盘,精度高,如果再增加数量,移相器网络的复杂度将会几何级数上升,不实用。金属圆盘具体实施时加工在FR4板子上,通过金属铜螺钉作为馈针7直连到移相器网络板3上进行固定。最影响天线性能的是金属,金属材质的馈针7穿过低频天线辐射器2会影响其表面电流分布,本发明实施例采用的方法是在低频天线辐射器2对应的位置开孔,馈针7穿过低频天线辐射器2的部位开设有半径3mm的圆孔,保证馈针7和低频天线辐射器2不接触。
相邻金属圆盘的间距、每个金属圆盘距离低频天线辐射器2中心点的距离会影响天线的匹配和带宽以及耦合量,而且各个指标会互相影响;实施例中,相邻金属圆盘的间距6~10mm,每个金属圆盘边缘距离低频天线辐射器2中心点的距离6~10mm,耦合量合适,天线增益高。
在一些实施例中,高频天线辐射器1为方形金属片,边长为77~81mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折2.5~3.5mm;减少尺寸同时加强结构强度,安装在天线罩上。低频天线辐射器2为方形金属片,边长为87~91mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折4~8mm,安装在移相器网络板3上。
所有尺寸跟工作频率的波长相关,但是因为是宽带的,所以也有一定的范围空间天线还可以工作在频带内,比如1mm以内。
对本发明实施例的天线进行仿真试验,高频天线辐射器1为方形金属片,尺寸为79mm×79mm,厚度为1mm,向下弯折3mm;低频天线辐射器2为方形金属片,尺寸为89mm×89mm,厚度为1mm,向下弯折6mm;移相器网络板3与低频天线辐射器2的距离为8mm;高频天线辐射器1与金属耦合片5的距离为3mm,低频天线辐射器2与金属耦合片5的距离为5mm,均通过空气耦合进行无接触馈电;金属耦合片5的金属圆盘数量为4,每个金属圆盘半径为8mm,绕低频天线辐射器2的中心环向对称分布;图4-6、7a-7b为发明实施例的仿真数据。
由图4可知,本发明实施例的天线在工作频段1.2270GHz、1.2680GHz、1.5750GHz的电压驻波比小于1.5,在工作频段1.5610GHz、1.1415GHz、1.8445GHz的电压驻波比小于2.0。
由图5a-5b可知,本发明实施例的天线在工作频段1.227GHz、1.268GHz的增益大于6dBi;天线在工作频段1.561GHz、1.575GHz、1.592GHz的增益大于7dBi。
由图6可知,天线在工作频段1.2270GHz、1.2680GHz、1.561GHz、1.575GHz、1.592GHz,±50°范围内,轴比均在2dB以下,覆盖全部导航频段。
由图7a-7b可知,天线的相位一致性很好,且两个工作频段的相位曲线基本一致,相位中心稳定,精度高。
本发明实施例通过移相器实现90°的相位差,结合四个金属圆盘的对称型结构使得相位中心稳定,实现了导航全频段高精度天线,相位中心稳定,增益高;采用空气作为介质,介电常数稳定,天线增益高,成本低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,包括
高频天线辐射器(1),用于将接收到的耦合能量辐射出去;
低频天线辐射器(2),所述低频天线辐射器(2)与高频天线辐射器(1)上下堆叠设置,用于将接收到的耦合能量辐射出去;
金属耦合片(5),所述金属耦合片(5)安装于高频天线辐射器(1)和低频天线辐射器(2)之间,金属耦合片(5)分别与高频天线辐射器(1)、低频天线辐射器(2)通过空气耦合馈电;
移相器网络板(3),所述移相器网络板(3)安装于金属耦合片(5)底部的天线辐射器下方,所述移相器网络板(3)的移相器电路赋以相邻的辐射臂之间90°的相位差,移相电路的连接口(6)通过馈针(7)直馈到金属耦合片(5);馈针(7)穿过金属耦合片(5)底部的天线辐射器,馈针(7)与所穿过的天线辐射器相互不接触。
2.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述高频天线辐射器(1)、低频天线辐射器(2)、金属耦合片(5)、移相器网络板(3)的中心同轴线。
3.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,还包括天线罩,用于保护天线整体以及安装高频天线辐射器(1);
所述移相器网络板(3)的下方设有金属底座(4),用于将后向杂散辐射反射回去;
所述移相器网络板(3)、天线罩分别通过螺钉固定于金属底座(4)上。
4.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述金属耦合片(5)包括多个间隔设置、对称分布的金属圆盘,每个金属圆盘通过对应的金属材质的馈针(7)直连移相器网络板(3)的移相电路的连接口(6)。
5.根据权利要求4所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述金属圆盘的半径为6~10mm。
6.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述高频天线辐射器(1)与金属耦合片(5)的距离为1~4mm,低频天线辐射器(2)与金属耦合片(5)的距离为4~6mm。
7.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述高频天线辐射器(1)位于低频天线辐射器(2)的上方,馈针(7)穿过低频天线辐射器(2)的部位开设有半径2.5~3.5mm的圆孔,保证馈针(7)和低频天线辐射器(2)不接触。
8.根据权利要求7所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述移相器网络板(3)与低频天线辐射器(2)的距离为6~10mm。
9.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述高频天线辐射器(1)为方形金属片,边长为77~81mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折2.5~3.5mm。
10.根据权利要求1所述一种导航全频段高精度空气耦合天线,其特征在于,所述低频天线辐射器(2)为方形金属片,边长为87~91mm,厚度为0.5~1.5mm,向下弯折4~8mm。
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