專利名稱:一種用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻gps天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線。
背景技術(shù):
無(wú)線電掩星探測(cè)技術(shù)可進(jìn)行中性大氣和電離層探測(cè),具有全天候、全球覆蓋、高垂直分辨率、高精度、高長(zhǎng)期穩(wěn)定性、無(wú)需標(biāo)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。從而有益于開(kāi)發(fā)空間天氣預(yù)測(cè)技術(shù),極大地推進(jìn)對(duì)空間天氣的研究。
雙頻GPS掩星天線是掩星探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分,很大程度上決定著GPS掩星探測(cè)系統(tǒng)的性能。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種適合安裝在低軌衛(wèi)星上,接收經(jīng)大氣層折射的GPS掩星信號(hào)的雙頻GPS天線。因?yàn)檠谛切盘?hào)微弱,GPS掩星天線要求增益大于10dB,一般采用陣列天線方案。本發(fā)明的天線是由四個(gè)單元天線組成的1×4陣列天線實(shí)現(xiàn),四個(gè)單元天線是均勻分布的。單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式。是由兩層輻射介質(zhì)板和一層饋電介質(zhì)板組成。
另外本發(fā)明在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了天線的機(jī)械性能及溫度特性,以滿足衛(wèi)星的工作環(huán)境。在輻射貼片采用四桿支撐的基礎(chǔ)上,對(duì)中空部分用介質(zhì)蜂窩加以填充支撐,底部反射板采用輕質(zhì)鋁蜂窩板,此種結(jié)構(gòu)重量輕,有很好的抗沖擊和抗振動(dòng)能力,滿足星載要求。
GPS兩個(gè)載波頻率分別為L(zhǎng)1=1575.42MHz,L2=1227.6MHz。設(shè)計(jì)寬帶天線來(lái)覆蓋兩個(gè)頻率有一定困難。綜合考慮幾種天線形式,單元天線選擇用層疊式縫隙耦合微帶天線形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,兩個(gè)頻段使用不同的輻射貼片,使兩個(gè)頻率相互分離,兼顧了兩個(gè)頻段。饋電網(wǎng)絡(luò)為了獲得寬的頻帶,采用縫隙耦合的饋電方式。同時(shí)采用置于中心的十字縫隙耦合以獲得圓極化。因?yàn)樵谶@種情況下,兩個(gè)正交的線極化波被單獨(dú)激勵(lì),且兩線極化波幅度相同,相位差為90°,因此可以得到較好的軸比帶寬。
本發(fā)明的雙頻GPS天線適合安裝在低軌衛(wèi)星上利用無(wú)線電掩星技術(shù)進(jìn)行大氣及電離層探測(cè)。
發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1.雙層輻射貼片分別對(duì)應(yīng)GPS兩個(gè)頻段,兩個(gè)頻段使用不同的輻射貼片,使兩個(gè)頻率相互分離,兼顧了兩個(gè)頻段。
2.十字縫隙耦合的饋電方式,兩個(gè)正交的線極化波被單獨(dú)激勵(lì),且兩線極化波幅度相同,相位差為90°,因此可以得到較好的軸比帶寬。
3.采用四點(diǎn)饋電方式,天線具有較好的相位中心穩(wěn)定性。
4.支撐部分采用介質(zhì)蜂窩填充,底部采用鋁蜂窩板的方案,重量輕、機(jī)械性能好,利于星載。
圖1是層疊式縫隙耦合微帶天線圖。
圖2是天線饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖。
圖3是天線功率合成器示意圖。
圖4是天線外形圖。
圖5是天線剖面圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是單元天線結(jié)構(gòu),采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,兩個(gè)頻段使用不同的輻射貼片,使兩個(gè)頻率相互分離,兼顧了兩個(gè)頻段。饋電網(wǎng)絡(luò)為了獲得寬的頻帶,采用縫隙耦合的饋電方式。同時(shí)采用置于中心的十字縫隙耦合以獲得圓極化。因?yàn)樵谶@種情況下,兩個(gè)正交的線極化波被單獨(dú)激勵(lì),且兩線極化波幅度相同,相位差為90°,因此可以得到較好的軸比帶寬。
層疊式縫隙耦合微帶天線,是由兩層輻射介質(zhì)板、一層饋電介質(zhì)板和反射底板組成,其組成為在兩層輻射介質(zhì)板上分別有上層輻射貼片和下層輻射貼片,在兩層輻射介質(zhì)板下面是饋電介質(zhì)板,在饋電介質(zhì)板上有十字縫隙饋電,在饋電板下面還有反射底板。在兩個(gè)輻射介質(zhì)板之間,饋電介質(zhì)板與下層輻射介質(zhì)板之間,饋電介質(zhì)板與反射底板之間均有支撐材料。
決定天線性能的主要參數(shù)的選擇(1)介質(zhì)板的選擇一般說(shuō)來(lái),低介電常數(shù)及相對(duì)較厚的介質(zhì)帶寬會(huì)比較寬。但耦合到底層貼片的能量隨著介質(zhì)的厚度增加而減少,介質(zhì)厚度和介電常數(shù)也影響上層貼片和下層貼片之間的互耦。選用介電常數(shù)為2.3,厚度為0.8mm的介質(zhì)板。
(2)貼片的長(zhǎng)度和寬度由于圓極化是由兩個(gè)正交的線極化相移90°構(gòu)成的,因此貼片要求是正方形的。由于兩個(gè)貼片間的強(qiáng)耦合,貼片的尺寸必須綜合考慮兩個(gè)頻率來(lái)設(shè)計(jì)。上層輻射貼片對(duì)應(yīng)L1頻率,為78mm×78mm的正方形。下層輻射貼片對(duì)應(yīng)L2頻率,為83mm×83mm的正方形。
(3)縫隙的長(zhǎng)度和寬度信號(hào)從饋線耦合到底層貼片主要是由縫隙的長(zhǎng)度控制的。長(zhǎng)的縫隙可以提高耦合度但同時(shí)也增大不需要的后向輻射??p隙的寬度也影響耦合度,但沒(méi)有長(zhǎng)度影響那么明顯。確定縫隙為51.6mm×3.8mm的長(zhǎng)方形。
(4)各層之間的間距各層之間的間距影響上層輻射貼片和下層輻射貼片之間的互耦,也影響?zhàn)侂娋W(wǎng)絡(luò)能量的輸出。上層輻射介質(zhì)板與下層輻射介質(zhì)板的間距為7mm,下層輻射介質(zhì)板與饋電介質(zhì)板的間距為11mm,饋電介質(zhì)板與反射底板間距為15mm。
圖2是天線饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖,它的作用是將十字縫隙耦合得到的等幅度的線極化信號(hào)合成為一個(gè)右旋圓極化信號(hào)同時(shí)完成阻抗匹配,利用微帶電路實(shí)現(xiàn)。四條饋線通過(guò)縫隙耦合得到的等幅信號(hào)通過(guò)三個(gè)“Wilkinson”功率合成器合成為一路輸出。十字縫隙的每一條縫隙與其中兩條饋線正交,這樣同一條縫隙的兩端耦合的信號(hào)就引入了一個(gè)180°的相移。同時(shí),兩條縫隙之間也存在著90°的相移,這樣在四個(gè)饋電點(diǎn)上就形成了0°、90°、180°、270°連續(xù)的相位變化。靠近饋電點(diǎn)的兩個(gè)“Wilkinson”功率合成器將兩個(gè)鄰近的饋電點(diǎn)信號(hào)(其中一個(gè)引入90°相移)合成。其中一個(gè)合成器輸出經(jīng)180°相移后與另外的一個(gè)功率合成器連到第三個(gè)功率合成器的輸入端。功率合成器的輸入輸出阻抗均為50歐姆匹配。饋電網(wǎng)絡(luò)在1.4GHz的中心頻率上設(shè)計(jì),可以保證它覆蓋L1和L2兩個(gè)頻率。
圖3是天線功率合成器示意結(jié)構(gòu),1~4輸入端用電纜分別對(duì)應(yīng)接到4個(gè)單元天線的輸出端,經(jīng)過(guò)兩個(gè)“Wilkinson”功率合成器后,整個(gè)天線的能量集中在了輸出口。
圖4是天線外形圖,四個(gè)方塊表示四個(gè)層疊式縫隙耦合微帶天線,天線是由四個(gè)單元天線組成的1×4陣列天線,四個(gè)單元天線是均勻分布的,單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,是由兩層輻射介質(zhì)板、一層饋電介質(zhì)板和反射底板組成。
將四個(gè)單元天線一字排開(kāi),調(diào)整單元天線之間的間隔,使它們的增益同相疊加。即可實(shí)現(xiàn)陣列天線的設(shè)計(jì)。
圖5是天線剖面結(jié)構(gòu),上層貼片介質(zhì)板對(duì)應(yīng)L1頻率,下層貼片介質(zhì)板對(duì)應(yīng)L2頻率,下面還有饋電板和反射底板。為滿足星載的結(jié)構(gòu)要求,在各層介質(zhì)板采用四桿支撐的基礎(chǔ)上,對(duì)中空部分用玻璃鋼蜂窩板加以填充支撐。加以填充支撐,底部反射板采用輕質(zhì)鋁蜂窩板,此種結(jié)構(gòu)重量輕,但卻有很好的抗沖擊和抗振動(dòng)能力,使天線具有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能,滿足星載要求。
權(quán)利要求
1.一種用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,該天線由四個(gè)單元天線組成的1×4陣列天線,四個(gè)單元天線是均勻分布的,單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,是由兩層輻射介質(zhì)板和一層饋電介質(zhì)板組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,兩個(gè)頻段使用不同的輻射貼片,使兩個(gè)頻率相互分離,饋電網(wǎng)絡(luò)采用縫隙耦合的饋電方式,同時(shí)采用置于中心的十字縫隙耦合以獲得圓極化,兩個(gè)正交的線極化波被單獨(dú)激勵(lì),且兩線極化波幅度相同,相位差為90°,得到較好的軸比帶寬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,層疊式縫隙耦合微帶天線由兩層輻射介質(zhì)板、一層饋電介質(zhì)板和反射底板組成,其組成為在兩層輻射介質(zhì)板上分別有上層輻射貼片和下層輻射貼片,在兩層輻射介質(zhì)板下面是饋電介質(zhì)板,在饋電介質(zhì)板上有十字縫隙饋電,在饋電板下面還有反射底板,在兩個(gè)輻射介質(zhì)板之間,饋電介質(zhì)板與下層輻射介質(zhì)板之間,饋電介質(zhì)板與反射底板之間均有支撐材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,層疊式縫隙耦合微帶天線的介質(zhì)板的介質(zhì)厚度和介電常數(shù)的選用,介電常數(shù)為2.3,厚度為0.8mm的介質(zhì)板,上層貼片對(duì)應(yīng)L1頻率,為78mm×78mm的正方形,下層貼片對(duì)應(yīng)L2頻率,為83mm×83mm的正方形,縫隙的長(zhǎng)度和寬度確定縫隙為51.6mm×3.8mm的長(zhǎng)方形,上層貼片介質(zhì)板與下層貼片介質(zhì)板的間距為7mm,下層貼片介質(zhì)板與饋電介質(zhì)板的間距為11mm,饋電介質(zhì)板與反射底板間距為15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,四個(gè)單元天線調(diào)整單元天線之間的間隔,使增益同相疊加,實(shí)現(xiàn)陣列天線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,雙頻GPS天線的兩個(gè)載波頻率分別為L(zhǎng)1=1575.42MHz,L2=1227.6MHz。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線,其特征在于,在各層介質(zhì)板采用四桿支撐的基礎(chǔ)上,對(duì)中空部分用玻璃鋼蜂窩加以填充支撐,反射底板采用輕質(zhì)鋁蜂窩板。
全文摘要
本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種用于無(wú)線電掩星探測(cè)的雙頻GPS天線。天線是由四個(gè)單元天線組成的1×4陣列天線,四個(gè)單元天線是均勻分布的。單元天線采用層疊式縫隙耦合微帶天線形式,由兩層輻射介質(zhì)板和一層饋電介質(zhì)板組成。天線在四桿支撐的基礎(chǔ)上采用蜂窩結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)重量輕,有很好的抗沖擊和抗振動(dòng)能力,滿足星載要求。本發(fā)明的雙頻GPS天線適合安裝在低軌衛(wèi)星上利用無(wú)線電掩星技術(shù)進(jìn)行大氣及電離層探測(cè)。
文檔編號(hào)H01Q21/30GK101064381SQ200610076008
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月24日
發(fā)明者杜起飛, 孫越強(qiáng), 朱光武, 劉正廷, 陶鵬, 王世金, 梁金寶, 白偉華, 王晶, 杜拴余, 李長(zhǎng)源 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心