CN115101930A - 边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线。本发明包括介质基板、馈电探针组、反射金属板、接地板、金属谐振枝节、辐射金属片；介质基板为绕自身中轴线对称的立体形状；馈电探针组由多根馈电探针组成；多根馈电探针设于介质基板内部，绕介质基板的中轴线在竖直方向上对称排列；金属谐振枝节与接地板电性连接；接地板用作天线的地平面，接地板与馈电探针电气绝缘；反射金属板与馈电探针、金属谐振枝节电气绝缘；辐射金属片与馈电探针电性连接；辐射金属片用于辐射圆极化电磁波。本发明相比现有技术，具有带宽更宽、增益更高、圆极化性能更好、结构更简单、适应多种卫星导航***、成本低的效果。

Description

边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线

技术领域

本发明属于天线的技术领域，具体涉及一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线。

背景技术

目前，现有技术中的卫星导航定位天线，一般采用的带宽较窄，一种天线结构往往只能工作于某一两种卫星导航定位***，如仅工作于GPS，或者虽然可以同时工作于两个卫星导航定位***，但其增益等性能较差，圆极化性能不够理想，且制造成本较高。

此外，现有技术中的卫星导航定位天线存在采用多层金属辐射片来实现多频辐射的结构，但需要分别馈电，使得馈电网络结构复杂、成本较高制作难度大。

发明内容

为了克服现有技术存在的一个或者多个缺陷与不足，本发明目的提供一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，以拓展带宽、提高增益、改善圆极化性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案。

一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，包括介质基板、馈电探针组、反射金属板、接地板、金属谐振枝节、辐射金属片；

介质基板为绕自身中轴线对称的立体形状；

馈电探针组由多根馈电探针组成；多根馈电探针设于介质基板内部，绕介质基板的中轴线在竖直方向上对称排列；

金属谐振枝节设于介质基板的侧面，与接地板电性连接；

接地板用作天线的地平面，接地板与馈电探针电气绝缘；

反射金属板设于相对介质基板底面的一侧，与馈电探针、金属谐振枝节电气绝缘；

辐射金属片设于相对介质基板顶面的一侧，与馈电探针电性连接；辐射金属片用于辐射圆极化电磁波。

优选地，馈电探针组包括四根馈电探针；

四根馈电探针各自分别用于传输四路相位依次相差为90°的馈电信号。

优选地，辐射金属片为一层设于介质基板顶面、绕介质基板中轴线对称的金属铜。

优选地，接地板为一层与介质基板底面连接、绕介质基板中轴线对称的金属铜；

接地板与金属谐振枝节电性连接。

优选地，金属谐振枝节设有四个；

四个金属谐振枝节均分别为贴于介质基板侧面的金属铜薄片；

四个金属谐振枝节绕介质基板的中轴线对称排列。

优先地，介质基板由上层介质基板、下层介质基板组成；

上层介质基板的尺寸小于下层介质基板，上层介质基板与下层介质基板在连接处形成阶梯形状；

金属谐振枝节设于下层介质基板的侧面；

或者介质基板由单层介质材料组成，金属谐振枝节设于单层介质材料的侧面。

优选地，反射金属板为一块绕介质基板中轴线对称设置的金属铜板材；

反射金属板的上表面尺寸大于介质基板的顶面尺寸和底面尺寸。

优选地，边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线还包括馈电网络电路；

馈电网络电路与馈电探针电性连接，用于输出馈电信号。

进一步地，馈电网络电路印刷于馈电板上；

馈电板设于相对下层介质基板底面的一侧，与接地板、反射金属板、金属谐振枝节电气绝缘。

优选地，馈电网络电路用于将输入信号进行功率一分四，并形成四路相位依次相差为90°的馈电信号进行输出；

四路相位依次相差为90°的馈电信号分别输出到四根馈电探针上。

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

现有的贴片天线采用层叠式，需要叠加多层金属辐射片并分别馈电来实现多频辐射，但本发明只需使用一个馈电探针组、一个辐射金属片、金属谐振枝节来实现圆极化性能。本发明馈电探针组的馈电探针排列相比单馈或双馈在空间结构上更加对称，整个天线主体部分采用对称形状，相位中心稳定性更好、水平面角度性能也更接近。能工作在双频模式，阶梯形状的介质基板也实现了大带宽的效果，足以覆盖现有四大卫星导航***的大多数工作频点。本发明利用接地板上也有高频电流的特性，使金属谐振枝节直接从接地板获得电流后进行辐射，不需要像现有的贴片天线那样使用大量馈电探针，整体结构简单，大幅降低了制造成本和生产复杂度，也降低了馈电网络电路的设计难度和成本。

附图说明

图1为本发明其中一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线的立体图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的正面视图；

图4为图1的沿正面视图平行的圆中轴纵面切开的剖面图；

图5为图1中第一馈电板的结构纵切图；

图6为图1馈电网络电路的结构原理图；

图7为低频增益随频率变化曲线图；

图8为高频增益随频率变化曲线图；

图9为增益随俯仰面角度θ变化曲线图；

图10为轴比随俯仰面角度θ变化曲线图；

图11为图1输入回波损耗参数S11的曲线图；

图12为本发明另一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线的立体图；

图13为图12的俯视图；

图14为图12的正面视图；

图中：1-第一反射金属板，2-第一馈电板，3-第一下层介质基板，4-π型金属谐振枝节，5-第一上层介质基板，6-第一辐射金属片，7-第一馈电探针组，8-第一接地板，9-第二馈电板，10-第二介质基板，11-F型金属谐振枝节，12-耦合馈电缝，13-第二辐射金属片，14-第二馈电探针组，15-第二反射金属板，16-第二接地板，17-覆铜上表面，18-连通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及其优点更加清楚明白，以下结合附图及其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1至图11所示，本实施例的一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，包括第一反射金属板1、第一馈电板2、第一下层介质基板3、π型金属谐振枝节4、第一上层介质基板5、第一辐射金属片6、第一馈电探针组7、第一接地板8。

第一馈电探针组7包括四根馈电探针，四根馈电探针在同一圆周上相互以90°圆心角的间隔进行排列。第一下层介质基板3、第一上层介质基板5、第一辐射金属片6、第一接地板8上均留有通过四根馈电探针的通孔，本实施优选第一接地板8上的通孔为尺寸相比馈电探针直径更大，从而使馈电探针与第一接地板8之间不会连接，从而在馈电探针与第一接地板8之间形成电气绝缘。四根馈电探针的顶端均分别与第一辐射金属片6电性连接，从而实现利用第一辐射金属片6辐射电磁波。本实施例优选四根馈电探针之间传输的高频信号依次具有90°的相位差。

第一馈电板2设有馈电网络电路。本实施例优选反射金属板1、π型金属谐振枝节4、第一辐射金属片6、第一馈电探针组7、第一接地板8的材料均为铜。

反射金属板1为薄片型圆盘，作为天线的最底部。反射金属板1用于反射电磁波向下的能量进而提高向上的电磁波能量。在没有反射金属板1的时候，电磁波能量会有较大部分往天线的下方辐射，增加反射金属板1后可以将原本向下辐射的能量反射而使向上辐射的能量更多，从而使得前向增益提高、后向增益降低，也就提高了天线辐射的前后比。

第一馈电板2为圆盘型的PCB电路板，印刷有馈电网络电路，本实施例优选PCB电路板的材质为FR4。第一馈电板2的圆心轴与反射金属板1的圆心轴处于同一直线上。本实施例优选第一馈电板2的下表面与反射金属板1的上表面之间电气绝缘连接。本实施例优选第一馈电板2的圆形直径小于反射金属板1的圆形直径，在其他实施方式中，第一馈电板2的圆形直径可以设置与反射金属板1的圆形直径相同。第一馈电板2的下表面印刷有馈电网络电路用于产生四路等功率的高频信号的部分电路结构，第一馈电板2的上表面为覆铜上表面17，覆铜上表面17作为馈电网络电路的地平面。本实施例优选第一馈电板2的下表面在电路上涂覆绝缘材料从而与反射金属板1电气绝缘，在另外的实施方式中还可以设置第一馈电板2的下表面与反射金属板1之间留存间隙，从而实现电气绝缘的效果。第一馈电板2的上表面与下表面之间设有与第一馈电探针组7四根馈电探针的底端分别电性连接的四个连通孔18，四个连通孔18分别电性连接馈电网络电路的输出端，用于将第一馈电探针组7的四根馈电探针与馈电网络电路的输出端连接起来。本实施例优选四根馈电探针分别与四个连通孔18采用锡焊的方式进行连接。覆铜上表面17留有与连通孔18之间起到电气绝缘效果的缝隙，缝隙不覆盖任何导电材料。

本实施例优选馈电网络电路的结构有多个电阻、多个微带线元件MLIN、多个型号为Hybrid90的3dB电桥组成。本实施例优选四根馈电探针分别传输四路功率相等、相位依次相差90°的馈电信号，因此馈电网络电路需要实现功率一分四且相移功能。馈电网络电路采取了3dB电桥与微带线搭建宽带相移器相结合的原理。

如图6所示，整个天线将所要发射的信号连接到HYB1的IN脚，HYB1的ISO脚通过电阻R1接地平面。输入信号在经过HYB1处理后，实现功率一分二，且分别在HYB1的0°脚和90°脚实现与输入信号相位差为90°的两路信号。HYB1的0°脚分别连接MLIN1、MLIN3、MLIN5的一端。MLIN3的另一端接地平面。MLIN5的另一端分别接MLIN2、MLIN4，MLIN4的另一端接地平面。HYB1的90°脚连接MLIN6的一端。MLIN1-MLIN6组成了90°移相的电路结构，使上下两路信号形成了180°相位差。MLIN6的另一端连接HYB3的IN脚，HYB3的ISO脚通过电阻R3接地平面。下面一路的信号在经过HYB3后继续功率一分二，且分别在HYB3的0°脚和90°脚分别与输入信号形成-180°和-270°相位差的两路输出信号，两路输出信号各自分别连接到一根馈电探针。MLIN5的另一端还与HYB2的IN脚连接。HYB2的ISO脚通过电阻R2接地平面。上面一路的信号在经过HYB2后继续功率一分二，且分别在HYB2的0°脚和90°脚分别与输入信号形成0°和-90°相位差的两路输出信号，两路输出信号各自分别连接到一根馈电探针。

第一接地板8为薄片圆盘形状，整块第一接地板8均由金属铜制成。第一接地板8与反射金属板1的圆心轴处于同一直线上。第一接地板8与第一馈电板2的覆铜上表面17相互紧贴接触，从而实现两者的电性连接。第一接地板8的边缘上延伸有π型金属谐振枝节4。π型金属谐振枝节4与第一接地板8所在的平面相互垂直。π型金属谐振枝节4通过自身的底端连接在第一接地板8上。本实施例优选π型金属谐振枝节4共有四个，四个π型金属谐振枝节分别在第一接地板8边缘的圆周上，相互之间以90°圆心角的间隔进行排列。本实施例优选π型金属谐振枝节4通过涂覆一层足够薄的金属铜材料生成，且π型金属谐振枝节4紧贴在第一下层介质基板3的侧面上。本实施例π型金属谐振枝节4的高度优选为与第一下层介质基板3的高度相同。π型金属谐振枝节4可以等效为RLC谐振电路，通过调整π型金属谐振枝节4的各个参数，可以使之谐振于所需要的频点从而适应多种卫星导航***，同时由于π型金属谐振枝节4和第一接地板8连接，电流由第一接地板8提供，从而π型金属谐振枝节4能够实现高频辐射的效果。π型金属谐振枝节4可以将第一接地板8的电流引过去，进而由π型金属谐振枝节4产生辐射，由于一般突变处电流密度会更大，所以π型金属谐振枝节4处的电流密度能得到保障，从而有效辐射电磁波。另外，四个π型金属谐振枝节4对称分布在第一下层介质基板3的侧面，由于四根馈电探针的信号是按等功率、相位依次相差90°分布的，对应的连接到地平面的四个π型金属谐振枝节4也能辐射圆极化波。另外，由于π型金属谐振枝节4分布于第一下层介质基板3的侧面，所以其低仰角辐射性能更好。对于容易把能量散射到背面的高频电磁波，四个π型金属谐振枝节4结合反射金属板1的结构，可以尽可能将电磁波能量往地平线以上辐射，让本来往背面辐射的能量反射到地平线以上去，从而提高增益。在其他实施方式里，还可以选择结构对称、数量为2的倍数且大于四个、形状为其他类型的金属谐振枝节。

第一下层介质基板3为圆柱体，其圆心轴与反射金属板1的圆心轴处于同一直线上。第一下层介质基板3的下表面与第一接地板8连接，π型金属谐振枝节4紧贴在圆柱体的侧面上。本实施例优选第一接地板8的圆形直径与第一下层介质基板3的圆形直径相同。

第一上层介质基板5为圆柱体，其圆心轴与反射金属板1的圆心轴处于同一直线上。第一上层介质基板5的圆形下表面与第一下层介质基板3的上表面连接。本实施例优选第一上层介质基板5的圆形直径小于第一下层介质基板3的圆形直径，从而在第一上层介质基板5与第一下层介质基板3的连接处形成阶梯状的结构，使第一上层介质基板5与第一下层介质基板3形成一块介质基板。贴片天线的谐振频率随介质基板尺寸的增加而降低，一个无渐变或突变介质构成的贴片天线从等效电路上看为RLC并联谐振回路，谐振频率由该回路确定；在本实施例中，第一上层介质基板5与第一下层介质基板3的尺寸不同，在等效电路上可以看成两个并联谐振回路连接在一起，从而达到拓展带宽的效果。从腔模理论角度看，第一上层介质基板5与第一下层介质基板3相互叠加等同于介质厚度增加，天线的Q值降低，从而存储的电磁能量相对减少，辐射的能量相对增加，所以增益也提高。此外，贴片天线带宽和Q值呈负相关关系，所以Q值降低，带宽也大为拓展。本实施例优选第一下层介质基板3和第一上层介质基板5均为ppo材料、上层介电常数4.4、下层介电常数6.0。

第一上层介质基板5的上表面与第一辐射金属片6连接。第一辐射金属片6为薄片圆盘形状，其圆心轴与反射金属板1的圆心轴处于同一直线上，本实施例优选第一辐射金属片6直径略小于第一上层介质基板5的圆形直径。四根馈电探针围绕着第一辐射金属片6的圆心轴对称分布。

对整个天线进行仿真，从仿真实验结果可以发现，整个天线在高、低两个频段均实现了有效辐射；其中，低频段满足Gain>3dBic频带范围的仿真结果为1141MHz-1331MHz，即低频段>3dBic的增益带宽为120MHz；高频段满足Gain>3dBic频带范围的仿真结果为1555MHz-1612MHz，即高频段>3dBic的增益带宽为64MHz；对现有的四大卫星导航定位***的工作频点（北斗的B1、B2、B3、B1c、B2a，GPS的L1、L2、L5，格洛纳斯的L1、L2、L3，伽利略的E1、E5、E5a、E5b、E6）增益均大于4dBic。

如图7和图8所示，本实施例的前向增益良好。如图11所示，本实施例在工作频点具有较低的输入回波损耗。

本实施例的边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线与现有技术相比，其有益效果在于：

（1）传统的双频圆极化贴片天线采用层叠式（两个不同频率的单层贴片堆叠），一般需要采用“2频×4馈=8根”馈针，对于馈电网络就需要6个3dB耦合器（在馈电网络设计中耦合器的成本占了相当大比例），且需要叠加多层金属辐射片来实现多频辐射，而本实施例结构简单，设计、调试难度、加工成本都较低；本实施例使用四根馈电探针工作在双频段来实现良好的圆极化性能：第一馈电探针组7的馈电探针排列相比单馈或双馈在空间结构上更加对称，整个天线主体部分采用相比其他形状更对称的圆形，相位中心稳定性更好、水平面角度性能也更接近；

（2）如图9和图10所示，可以看到本实施例的低频段轴比<3dB的θ范围约为±100°、高频轴比<3dB的θ范围为±60°，足以说明圆极化性能优秀；

（3）可双频谐振；使用阶梯形状的介质基板结构时能拓展更大的带宽，带宽足以覆盖现有四大卫星导航***的大多数工作频点；

（4）本实施例的第一辐射金属片6、四个π型金属谐振枝节4两部分的位置设计以及与馈电方式的结合，通过第一辐射金属片6利用馈电探针直接馈电，利用第一接地板8上也有高频电流的特点，引入四个π型金属谐振枝节4直接从第一接地板8获得电流后进行辐射，不需要像现有的贴片天线那样增加馈电探针的数量，整体结构简单，大幅降低了制造成本和生产复杂度。

实施例2

如图12至图14所示，本实施例的一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，包括第二馈电板9、第二介质基板10、F型金属谐振枝节11、第二辐射金属片13、第二馈电探针组14、第二反射金属板15、第二接地板16。

第二馈电探针组14包括四根馈电探针，四根馈电探针在同一圆周上相互以90°圆心角的间隔进行排列。第二介质基板10、第二辐射金属片13、第二接地板16、第二反射金属板15上均留有通过四根馈电探针的通孔，本实施优选第二接地板16、第二反射金属板15上的通孔为尺寸相比馈电探针直径更大，从而使馈电探针与第二接地板16、第二反射金属板15之间不会连接，从而在馈电探针与第二接地板16、第二反射金属板15之间形成电气绝缘。四根馈电探针的顶端均分别与第二辐射金属片13电性连接，从而实现利用第二辐射金属片13发射电磁波。四根馈电探针与第二辐射金属片13之间均采用电容耦合馈电的方式进行连接，每根馈电探针顶端与第二辐射金属片13的连接处，均分别设置有未覆盖金属铜的耦合馈电缝12；耦合馈电缝12为一道宽度足够使馈电探针与第二辐射金属片13接触点在第二辐射金属片13主体部分上形成电容耦合结构的缝隙。本实施例优选四根馈电探针之间传输的高频信号具有90°的相位差。

第二馈电板9为正方形的PCB电路板，印刷有与实施例1中相同结构的馈电网络电路。第二馈电板9的下表面印刷有馈电网络电路用于产生电磁波信号的部分电路结构，第二馈电板9的上表面覆盖有一层的金属铜，作为馈电网络电路的地平面，同时这一层金属铜也作为本实施例的第二反射金属板15。第二馈电板9的上表面与下表面之间设有与第二馈电探针组14四根馈电探针的底端分别电性连接的四个连接孔，四个连接孔分别电性连接馈电网络电路的输出端，用于将第二馈电探针组14的四根馈电探针与馈电网络电路的输出端连接起来。

第二接地板16为涂覆于第二馈电板9下表面、厚度较薄金属铜材料的正方形结构，且尺寸小于第二馈电板9。整块第二接地板16均由金属铜制成。第二接地板16与第二馈电板9的中心轴处于同一直线上。第二接地板16连接在第二反射金属板15上方，第二接地板16下表面通过涂覆绿油实现与第二反射金属板15的电气绝缘效果。第二接地板16四个侧边边缘上对称设置有F型金属谐振枝节11。F型金属谐振枝节11与第二接地板16所在的平面相互垂直。F型金属谐振枝节11通过自身的两横向枝节朝向下设置连接到第二接地板16。本实施例优选F型金属谐振枝节11有具有一定厚度的金属铜材料制成，且F型金属谐振枝节11嵌入在第二介质基板10的侧表面上。本实施例优选F型金属谐振枝节11的高度与第一下层介质基板3的高度相同，在其他实施方式中也可选择F型金属谐振枝节11的高度低于第一下层介质基板3的高度。

第二介质基板10为正方体，其中心轴与第二馈电板9的中心轴处于同一直线上。第二介质基板10的下表面与第二接地板16连接。本实施例优选第二接地板16的上表面与第二介质基板10的下表面重合。

第二介质基板10的上表面与第二辐射金属片13连接。第二辐射金属片13为一层厚度足够薄的正方形金属铜贴片，其中心轴与第二馈电板9的中心轴处于同一直线上。四根馈电探针围绕着第二辐射金属片13的中心轴对称分布。

本实施例的边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线与现有技术相比，其有益效果在于：

本实施例相比现有技术，具有结构简单、低成本、圆极化性能良好、可双频谐振、适应多种卫星导航***的优势。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，包括介质基板、馈电探针组、反射金属板、接地板、金属谐振枝节、辐射金属片；

所述介质基板为绕自身中轴线对称的立体形状；

所述馈电探针组由多根馈电探针组成；所述多根馈电探针设于介质基板内部，绕介质基板的中轴线在竖直方向上对称排列；

所述金属谐振枝节设于介质基板的侧面，与接地板电性连接；

所述接地板用作天线的地平面，接地板与馈电探针电气绝缘；

所述反射金属板设于相对介质基板底面的一侧，与馈电探针、金属谐振枝节电气绝缘；

所述辐射金属片设于相对介质基板顶面的一侧，与馈电探针电性连接；辐射金属片用于辐射圆极化电磁波。

2.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，馈电探针组包括四根馈电探针；

所述四根馈电探针各自分别用于传输四路相位依次相差为90°的馈电信号。

3.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，辐射金属片为一层设于介质基板顶面、绕介质基板中轴线对称的金属铜。

4.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，接地板为一层与介质基板底面连接、绕介质基板中轴线对称的金属铜；

接地板与金属谐振枝节电性连接。

5.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，金属谐振枝节设有四个；

四个金属谐振枝节均分别为贴于介质基板侧面的金属铜薄片；

四个金属谐振枝节绕介质基板的中轴线对称排列。

6.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，介质基板由上层介质基板、下层介质基板组成；

所述上层介质基板的尺寸小于下层介质基板，上层介质基板与下层介质基板在连接处形成阶梯形状；

金属谐振枝节设于下层介质基板的侧面；

或者介质基板由单层介质材料组成，金属谐振枝节设于单层介质材料的侧面。

7.根据权利要求1所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，反射金属板为一块绕介质基板中轴线对称设置的金属铜板材；

反射金属板的上表面尺寸大于介质基板的顶面尺寸和底面尺寸。

8.根据权利要求1-7任一项所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线还包括馈电网络电路；

所述馈电网络电路与馈电探针电性连接，用于输出馈电信号。

9.根据权利要求8所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，馈电网络电路印刷于馈电板上；

所述馈电板设于相对下层介质基板底面的一侧，与接地板、反射金属板、金属谐振枝节电气绝缘。

10.根据权利要求8所述边缘加载谐振枝节的双频卫星导航天线，其特征在于，馈电网络电路用于将输入信号进行功率一分四，并形成四路相位依次相差为90°的馈电信号进行输出；

四路相位依次相差为90°的馈电信号分别输出到四根馈电探针上。

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