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      一種具有寬頻帶寬波束的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)的制作方法

      文檔序號(hào):12481668閱讀:233來(lái)源:國(guó)知局
      一種具有寬頻帶寬波束的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)的制作方法與工藝

      本發(fā)明涉及圓極化天線(xiàn)的技術(shù)領(lǐng)域,尤其是指一種具有寬頻帶寬波束的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)。



      背景技術(shù):

      近幾十年來(lái),全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)獲得了飛速的發(fā)展,由于其具有精度高、覆蓋范圍廣、全天候、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)駕駛、地理測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、石油和天然氣安全監(jiān)測(cè)、無(wú)人飛行器和橋梁位移監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域中,創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。

      天線(xiàn)位于無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的最前端,起到將電路中的電信號(hào)和自由空間中電磁波相互轉(zhuǎn)換的作用,是整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán),天線(xiàn)性能的好壞將直接影響到系統(tǒng)的通信質(zhì)量。圓極化天線(xiàn)由于能夠克服電磁波穿透大氣電離層時(shí)發(fā)生的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng),且能夠接收任意極化方向的來(lái)波,因此被廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。

      現(xiàn)如今對(duì)于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度要求越來(lái)越高,這就要求天線(xiàn)具有穩(wěn)定的相位中心。又由于這四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星定位服務(wù)的精確度、安全性、可靠性和可用性方面各有優(yōu)缺點(diǎn),如果能夠在用戶(hù)端實(shí)現(xiàn)全球兼容,那么就可以充分發(fā)揮各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),因而急需研究能夠融合四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻段的寬頻帶圓極化天線(xiàn)。又由于衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)工作時(shí)至少要同時(shí)接收4顆衛(wèi)星的信號(hào),又根據(jù)衛(wèi)星定位原理,低仰角方向的信號(hào)對(duì)定位精度的影響最大,這就要求天線(xiàn)必須能在低仰角時(shí)正常工作。即要求天線(xiàn)在theta=85°時(shí)增益需大于-5dB。在GPS和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,圓極化天線(xiàn)通常需要它的3dB軸比波束寬度大于120°,在某些特殊場(chǎng)合可能需要更大的波束寬度,這樣才能保證能夠在地球上的任何位置都能接收到無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

      2010年,Chen Lin等人在IEEE Antennas Wireless Propagation Letters上發(fā)表題為“A three-fed microstrip antenna for wideband circular polarization”的文章,該天線(xiàn)通過(guò)一個(gè)一分三的寬帶功率分配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行饋電,保證三個(gè)輸出端口的相位依次相差120°,從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化輻射,同時(shí)采用在主輻射貼片上方加載寄生貼片的方式來(lái)進(jìn)一步增大天線(xiàn)的阻抗帶寬。

      Ze-Kun Pan等人于2014年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上發(fā)表題為“Compact wide-beam circularly polarized patch antenna with a parasitic ring for CNSS application”的文章,該天線(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu),下層為圓形輻射貼片,上層為寄生金屬環(huán)。通過(guò)在圓形貼片上加載兩個(gè)矩形枝節(jié)來(lái)產(chǎn)生圓極化輻射,采用在輻射貼片正上面加載一個(gè)金屬圓環(huán)方式來(lái)提高天線(xiàn)的波束寬度。但是該天線(xiàn)只能工作在點(diǎn)頻,帶寬較窄,無(wú)法提高寬頻帶范圍內(nèi)的波束寬度。

      2013年,Son Xuat Ta等人在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上發(fā)表題為“Multi-band,wide-beam,circularly polarized,crossed,asymmetrically barbed dipole antennas for GPS applications”的文章,該天線(xiàn)主要輻射體部分是兩對(duì)交叉的印刷偶極子,相鄰偶極子臂通過(guò)相位滯后微帶線(xiàn)來(lái)提供90°的相位差,從而產(chǎn)生圓極化。每個(gè)偶極子臂又被分成了四個(gè)長(zhǎng)度不同的倒鉤型分枝來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻工作。同時(shí)通過(guò)在輻射體下方加載了一個(gè)倒錐形背腔式反射器,使得天線(xiàn)具有較寬的3dB軸比波束寬度。



      技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

      本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有圓極化天線(xiàn)難以同時(shí)具備穩(wěn)定的相位中心及在寬頻帶范圍內(nèi)具有低仰角高增益和寬角度低軸比特性的缺陷,提供一種高性能的具有寬頻帶寬波束的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn),該天線(xiàn)具有寬頻帶、低仰角高增益、寬軸比波束、零相位中心等優(yōu)點(diǎn)。

      為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:一種具有寬頻帶寬波束的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn),包括第一板狀電介質(zhì)基板、刻蝕在該第一板狀電介質(zhì)基板上的第一圓環(huán)形金屬貼片、第二板狀電介質(zhì)基板、刻蝕在該第二板狀電介質(zhì)基板上的第二圓環(huán)形金屬貼片、輻射基板、刻蝕在該輻射基板上的圓形金屬貼片、第一饋電基板、第二饋電基板以及階梯型金屬桶壁;所述第一板狀電介質(zhì)基板和第二板狀電介質(zhì)基板設(shè)在輻射基板的上方,且該第一板狀電介質(zhì)基板位于第二板狀電介質(zhì)基板的上方,所述第一饋電基板和第二饋電基板設(shè)在輻射基板的下方,且該第一饋電基板疊置于第二饋電基板的上面;所述輻射基板的下表面及第一饋電基板與第二饋電基板的接觸面為金屬箔形成的地;所述第一饋電基板、第二饋電基板與圓形金屬貼片之間由多根饋電探針以過(guò)孔的形式進(jìn)行連接,且該多根探針關(guān)于圓形金屬貼片的圓心呈中心對(duì)稱(chēng)方式設(shè)置;所述第一饋電基板的上表面和第二饋電基板的下表面分別刻蝕有寬帶饋電網(wǎng)絡(luò),以此來(lái)為圓形金屬貼片進(jìn)行饋電,從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化特性;所述第一饋電基板和第二饋電基板通過(guò)同軸線(xiàn)進(jìn)行饋電,并在同軸線(xiàn)旁邊添加有一個(gè)金屬巴倫;所述第一板狀電介質(zhì)基板和第二板狀電介質(zhì)基板通過(guò)四角設(shè)置的固定絕緣塑料螺釘與輻射基板進(jìn)行固定連接;所述階梯型金屬桶壁放置在第一饋電基板的上面,把第一板狀電介質(zhì)基板、第二板狀電介質(zhì)基板、輻射基板圍住;通過(guò)在圓形金屬貼片的上方加載第一圓環(huán)形金屬貼片、第二圓環(huán)形金屬貼片及階梯型金屬桶壁,能夠提高天線(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的-5dB波束寬帶和3dB軸比波束。

      所述金屬巴倫長(zhǎng)約四分之一波長(zhǎng)。

      本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:

      1、本發(fā)明天線(xiàn)采用多點(diǎn)對(duì)稱(chēng)饋電方式,整體結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對(duì)稱(chēng),具有較小的相位中心偏差。

      2、本發(fā)明天線(xiàn)具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,能夠覆蓋現(xiàn)如今四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻段。

      3、本發(fā)明天線(xiàn)能在比較寬的頻帶范圍內(nèi)具有比較大的-5dB波束寬帶和3dB軸比波束。

      附圖說(shuō)明

      圖1為本發(fā)明天線(xiàn)的豎截面剖視圖。

      圖2為第一圓環(huán)形金屬貼片、第二圓環(huán)形金屬貼片及所在基板的結(jié)構(gòu)示意圖。

      圖3為圓形金屬貼片及所在基板和第一、二饋電基板的結(jié)構(gòu)示意圖

      圖4為本發(fā)明天線(xiàn)的|S11|和軸比仿真結(jié)果。

      圖5為本發(fā)明天線(xiàn)的-5-dB波束寬度隨頻率變化的仿真結(jié)果。

      圖6為本發(fā)明天線(xiàn)的3-dB軸比波束寬度隨頻率變化的仿真結(jié)果。

      具體實(shí)施方式

      下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

      如圖1至圖3所示,本實(shí)施例所述的零相位中心衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn),包括第一板狀電介質(zhì)基板100、刻蝕在該第一板狀電介質(zhì)基板100上的第一圓環(huán)形金屬貼片101、第二板狀電介質(zhì)基板200、刻蝕在該第二板狀電介質(zhì)基板200上的第二圓環(huán)形金屬貼片201、輻射基板300、刻蝕在該輻射基板300上的圓形金屬貼片301、第一饋電基板400、第二饋電基板500以及階梯型金屬桶壁14(優(yōu)選材質(zhì)為銅);所述第一板狀電介質(zhì)基板100和第二板狀電介質(zhì)基板200設(shè)在輻射基板300的上方,且該第一板狀電介質(zhì)基板100位于第二板狀電介質(zhì)基板200的上方,所述第一饋電基板400和第二饋電基板500設(shè)在輻射基板300的下方,且該第一饋電基板400疊置于第二饋電基板500的上面;所述輻射基板300的下表面及第一饋電基板400與第二饋電基板500的接觸面為金屬箔形成的地11;所述第一饋電基板400、第二饋電基板500與圓形金屬貼片301之間由四根饋電探針21、22、23、24以過(guò)孔的形式進(jìn)行連接,且該四根探針21、22、23、24關(guān)于圓形金屬貼片301的圓心呈中心對(duì)稱(chēng)方式設(shè)置;所述第一饋電基板400的上表面和第二饋電基板500的下表面分別刻蝕有寬帶饋電網(wǎng)絡(luò),以此來(lái)為圓形金屬貼片301進(jìn)行饋電,從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化特性,對(duì)于圓形金屬貼片301,本實(shí)施例的圓形金屬貼片301直徑選為約四分之一個(gè)波長(zhǎng),第一圓環(huán)形金屬貼片101、第二圓環(huán)形金屬貼片201的直徑選為約λi/4(i=1,2),并且它們距圓形輻射貼片的距離約為λi/8(i=1,2),這里f1=1.4GHz,f2=1.8GHz;所述第一饋電基板400和第二饋電基板500通過(guò)同軸線(xiàn)12進(jìn)行饋電,并在同軸線(xiàn)12旁邊添加了一個(gè)長(zhǎng)約四分之一波長(zhǎng)的金屬巴倫13;所述第一板狀電介質(zhì)基板100和第二板狀電介質(zhì)基板200通過(guò)四角設(shè)置的固定絕緣塑料螺釘31、32、33、34與輻射基板300進(jìn)行固定連接;所述階梯型金屬桶壁14放置在第一饋電基板的上面,把第一板狀電介質(zhì)基板100、第二板狀電介質(zhì)基板200、輻射基板300圍住,對(duì)于階梯型金屬桶壁,本實(shí)施例把上、下兩節(jié)的半徑選取為λk/4(k=3,4),這里f3=1.21GHz,f4=1.27GHz;通過(guò)在圓形金屬貼片301的上方加載第一圓環(huán)形金屬貼片101、第二圓環(huán)形金屬貼片201及階梯型金屬桶壁14,并合理優(yōu)化調(diào)整第一圓環(huán)形金屬貼片101、第二圓環(huán)形金屬貼片201的半徑和它們距圓形金屬貼片301的高度以及階梯型金屬桶壁14上、下兩節(jié)的半徑,可以提高天線(xiàn)寬頻帶范圍內(nèi)的-5dB波束寬帶和3dB軸比波束。

      整個(gè)天線(xiàn)的工作方式是電磁信號(hào)通過(guò)同軸線(xiàn)12輸入到饋電網(wǎng)絡(luò)中,然后由饋電網(wǎng)絡(luò)分出四個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的輸出端口給圓形金屬貼片301進(jìn)行饋電,圓形金屬貼片301上的能量會(huì)通過(guò)近場(chǎng)耦合的方式在第一圓環(huán)形金屬貼片101、第二圓環(huán)形金屬貼片201上產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而會(huì)和圓形金屬貼片301一起參與輻射,接收信號(hào)的方式則相反。

      圖4是本實(shí)施例上述天線(xiàn)的|S11|和軸比仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn),該天線(xiàn)10dB反射損耗范圍為1.12GHz到1.86GHz,相對(duì)帶寬約為49.7%。該天線(xiàn)3dB軸比帶寬范圍為1.13GHz到1.37GHz和1.41GHz到1.8GHz,相對(duì)帶寬約為43%。本發(fā)明天線(xiàn)具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,能夠覆蓋現(xiàn)如今四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻段(1.16-1.62GHz)。

      圖5是本實(shí)施例上述天線(xiàn)的-5-dB波束寬度隨頻率變化的仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn),該天線(xiàn)在1.21GHz到1.29GHz的頻段范圍內(nèi),天線(xiàn)的-5-dB波束寬度在120°以上,此范圍內(nèi)最大-5-dB波束寬度為151.2°;該天線(xiàn)在1.48GHz到1.63GHz的頻段范圍內(nèi),天線(xiàn)的-5-dB波束寬度在170°以上,此范圍內(nèi)最大-5-dB波束寬度為203.8°。本發(fā)明天線(xiàn)在比較寬的頻帶范圍內(nèi)的具有比較寬的-5dB波束寬帶。

      圖6是本實(shí)施例上述天線(xiàn)的3-dB軸比波束寬度隨頻率變化的仿真結(jié)果。由圖可見(jiàn),該天線(xiàn)在1.207到1.3GHz和1.455到1.61GHz范圍內(nèi),天線(xiàn)的3-dB軸比波束大于120°。本發(fā)明天線(xiàn)在比較寬的頻帶范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)比較寬的3dB軸比波束。

      綜上所示,本發(fā)明天線(xiàn)的核心內(nèi)容在于采用外加饋電網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)中心對(duì)稱(chēng)饋電方式,使得天線(xiàn)具有較寬的阻抗帶寬和軸比帶寬,并通過(guò)保證天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)關(guān)于中心對(duì)稱(chēng),從而實(shí)現(xiàn)較小的相位中心偏差,同時(shí)通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)寄生的第一、二圓環(huán)形金屬貼片的半徑和它們到圓形金屬貼片的距離以及外圍階梯金屬桶壁的半徑可以使天線(xiàn)具有比較大的-5dB波束寬帶和3dB軸比波束。

      以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例,并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍,故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化,均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。

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