專利名稱：三頻寬波束圓極化天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種三頻寬波束圓極化天線，適合作為L1、L2、L5波段的全球定位系統(tǒng)GPS天線，特別適合作為北斗二代BD-2雙模用戶機車載，艦載天線。
背景技術(shù)：
眾所周知，衛(wèi)星通信都使用圓極化天線，例如美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，我國的BD-2衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)都希望移動用戶機天線，如車載，艦載和機載不僅尺寸小，生產(chǎn)成本低，而且在三頻段要有好的圓極化特性。有資料報導(dǎo)，GPS除了原來使用1575MHz的L1波段和1227MHz的L2兩個波段外，還計劃使用第3個L波段，即1176MHz的L5波段，但至今還沒有發(fā)射，因而幾乎看不到有關(guān)能在L1、L2、L5三波段工作的GPS天線的報導(dǎo)，目前僅有適合在L1、L2波段工作的GPS天線或適合作為其他波段但低仰角性能差的雙頻圓極化天線。
由于全球有24顆衛(wèi)星供世界各地的用戶使用，所以GPS用戶并不要求GPS天線有好的低仰角性能。但有的系統(tǒng)，如我國的BD-2衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，不僅要求用戶機天線在上半空間具有半球型輻射方向圖，特別是對低仰角增益提出了苛刻的要求，如要求5°仰角天線的增益不能低于-5dB。但現(xiàn)有的雙頻GPS天線由于低仰角性能差，無法滿足BD-2需要三頻寬波束圓極化天線的要求。
實用新型的內(nèi)容本實用新型的目的是克服現(xiàn)有雙頻GPS天線低仰角性能差的不足，提供一種三頻寬波束圓極化天線，以滿足BD-2衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的要求。
實現(xiàn)本實用新型的技術(shù)方案是由不同波段的圓極化天線，依次構(gòu)成工作頻率自上而下由高到低的共軸層疊結(jié)構(gòu)，且上層采用正交下傾曲線偶極子圓極化天線，中層和下層分別采用兩個微帶圓極化天線。
上述三頻寬波束圓極化天線，其中所述的上層正交下傾曲線偶極子，采用兩個對稱長臂與兩個對稱短臂相交下傾的曲線振子組成，這些正交曲線振子依次相差90°。
上述三頻寬波束圓極化天線，其中所述的中層微帶圓極化天線由帶有兩個切角的環(huán)狀輻射貼片與環(huán)狀接地板組成，該方形環(huán)狀輻射貼片兼作上層圓極化天線的接地板。
上述三頻寬波束圓極化天線，其中下層微帶圓極化天線由方形環(huán)狀輻射貼片和方形環(huán)狀接地板組成，并采用同軸線和饋電網(wǎng)絡(luò)雙饋結(jié)構(gòu)。
上述三頻圓極化天線，其中方形環(huán)狀接地板下面固定有整體三頻圓極化天線的圓錐型接地板，該圓錐型接地板的下面附加有帶腔接地板。
上述三頻圓極化天線，其特征在于所述的中層和下層微帶圓極化天線中設(shè)有方孔，分別構(gòu)成偶極子圓極化天線和中層圓極化同軸電纜的通道。
本實用新型與現(xiàn)有的圓極化天線相比具有以下優(yōu)點(1)本實用新型由于采用層疊結(jié)構(gòu)的三頻圓極化天線，可以實現(xiàn)BD-2需要三波段的天線要求；(2)本實用新型由于上層頻段圓極化天線采用正交下傾曲線偶極子，中層和下層兩個頻段的圓極化天線采用有表面波功能的微帶圓極化天線結(jié)構(gòu)，不僅展寬了整個天線的垂直面方向圖，提高了低仰角輻射性能，而且具有輪廓低，重量輕，便于批量加工生產(chǎn)的優(yōu)點。
(3)本實用新型中由于采用將最上層圓極化天線的接地板作為中層微帶天線的輻射貼片，簡化了天線結(jié)構(gòu)。
(4)本實用新型由于具有三個彼此隔離的端口，為用戶提供了更方便更靈活的接口。


圖1是本實用新型的整體橫截面結(jié)構(gòu)圖圖2是本實用新型的上層圓極化天線結(jié)構(gòu)圖圖3a是本實用新型中層圓極化天線的結(jié)構(gòu)圖圖3b是圖3a的俯視圖圖4a是本實用新型下層圓極化天線的結(jié)構(gòu)圖圖4b是圖4a的俯視圖圖5是本實用新型上層圓極化天線的垂直面實測增益方向圖圖6是本實用新型中層圓極化天線的垂直面實測增益方向圖圖7是本實用新型下層圓極化天線的垂直面實測增益方向圖具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細(xì)說明本實用新型的內(nèi)容。
參見圖1，本實用新型由上、中、下三層三頻圓極化天線組成，其中上層圓極化天線2主要由正交下傾曲線偶極子和同軸電纜15組成；中層圓極化天線3采用環(huán)狀輻射貼片5和環(huán)狀接地板6及同軸電纜20組成，該方形環(huán)狀輻射貼片5兼作上層正交下傾曲線偶極子的接地板，輻射貼片5中設(shè)有方孔23，環(huán)狀接地板6中設(shè)有方孔24；下層圓極化天線4采用帶方形環(huán)狀輻射貼片7與方形環(huán)狀接地板8及饋電網(wǎng)絡(luò)組成，方形環(huán)狀輻射貼片7的中心設(shè)有方孔29，方形環(huán)狀接地板8中設(shè)有方孔30。這些方孔23、24、29、30分別構(gòu)成偶極子圓極化天線2和微帶圓極化天線3的同軸電纜通道。中層圓極化天線3與下層圓極化天線4之間夾有一層介質(zhì)板42，將這兩個圓極化天線分開。下層圓極化天線4的方形環(huán)狀接地板8的下面固定有三頻圓極化天線的圓錐型接地板36，以其進一步改善天線的低仰角輻射性能。圓錐型接地板36的下面，附加了一個帶腔的接地板40，該帶腔的接地板上固定有功放及低噪聲放大器，射頻電纜15、20、37均穿過該接地板40分別與各自的圓極化天線相連接，其中同軸電纜20通過方孔29、30與中層微帶圓極化天線3相連，同軸電纜15通過方孔24、23與上層正交下傾曲線偶極子圓極化天線2相連。該中層微帶圓極化天線3和下層微帶圓極化天線4均采用相對介電常數(shù)εr比較高，厚度較厚的雙面覆銅板25、31用印刷電路技術(shù)一次加工而成。在下層雙面覆銅板31的下面有一層介質(zhì)板35，在該介質(zhì)板35上加工有饋電網(wǎng)絡(luò)32，該饋電網(wǎng)絡(luò)32與同軸電纜37構(gòu)成對下層微帶圓極化天線4的雙饋結(jié)構(gòu)。
在本實用新型的整體結(jié)構(gòu)中，上層圓極化天線2的工作頻率最高，如S波段右旋圓極化天線RHCP；下層工作頻率最低，如B3波段的雙饋方形環(huán)狀貼片天線；中層工作波段介于S波段與B3波段之間，如為L波段左旋圓極化天線LHCP，該L波段的波長比B3波段短，但比S波段的波長長。同時在加工制造天線的過程中，采用了面積比所需要方形環(huán)狀貼片面積更大的方形介質(zhì)板。由于在天線周圍介質(zhì)板中存在的表面波的作用，要使天線的垂直面方向圖半功率波束寬度展寬，不僅對上層正交偶極子采用下傾曲線，且對曲線的曲率進行了優(yōu)化設(shè)計，改善了低仰角輻射性能。
經(jīng)計算機仿真計算，對S波段的RHCP天線，在Φ＝0°和Φ＝90°平面，天線的最大增益為6.5dBic，5°仰角增益為-3.2dBic，5°以上仰角軸比小于5dB。對L波段左旋圓極化LHCP天線，在Φ＝0°和Φ＝90°平面天線的最大增益為6dBic，5°仰角增益為-2.7dBic，5°以上仰角軸比小于5dB。對B3波段RHCP天線，在Φ＝0°和Φ＝90°平面天線的最大增益為5.5dBic，5°仰角增益為-2.5dBic，5°以上仰角軸比小于6dB。以上計算機仿真是三頻段層疊在一起，考慮了相互影響的結(jié)果。由仿真結(jié)果看出，天線的電氣性能基本滿足用戶機對天線的要求。
參照圖2，本實用新型的上層圓極化天線2采用自相位結(jié)構(gòu)，輻射單元為兩對正交下傾曲線偶極子，其中長臂11、12為諧振長度大于諧振頻率的一對長下傾曲線偶極子，電抗呈感性，相位落后45°；短臂13、14為諧振長度低于諧振頻率的一對短下傾曲線偶極子，電抗呈容性，相位超前45°，由短陣子到長陣子相位差90°。由于同軸線內(nèi)外導(dǎo)體之間具有0°、180°的固有相差，正交曲線下傾偶極子輻射單元11、12、13、14依次相差90°，滿足了產(chǎn)生圓極化天線的條件。為了平衡饋電，在同軸線15外導(dǎo)體16對稱位置上開兩個λ/4長細(xì)縫17和18，把同軸線15的外導(dǎo)體16分成左右兩部分。用帶縫隙17的巴倫同軸線15饋電，長、短下傾曲線偶極子的一臂11、13與同軸線外導(dǎo)體16裂縫的左半邊相連，長、短下傾曲線振子偶極子的另一臂12、14與同軸線15的內(nèi)導(dǎo)體19均與同軸線外導(dǎo)體16裂縫的右半邊相連。正交下傾曲線偶極子的接地板與L波段的輻射單元共用，均為帶有兩個切角22、23的方形環(huán)狀貼片5。為了改善低仰角輻射性能，不僅使正交偶極子下傾變成曲線，且對曲線的曲率及離接地板5的高度進行了優(yōu)化設(shè)計。
參照圖3，本實用新型的中層L波段單饋圓極化微帶天線3主要由輻射貼片5、接地板6和饋電同軸線20組成。輻射貼片5是帶有兩個切角21、22的方形環(huán)狀貼片，中心是方孔23。接地板6是環(huán)狀貼片，該接地板6的中心設(shè)有方孔24。輻射貼片5和接地板貼片6是采用相對介電常數(shù)εr較高，厚度較厚的雙面覆銅介質(zhì)板25用印刷電路技術(shù)一次加工而成。同軸線20的內(nèi)導(dǎo)體26穿過介質(zhì)板25的介質(zhì)層直接與輻射貼片5相連在連接點27，同軸線20的外導(dǎo)體28與接地板貼片6相連完成單饋。由于貼片5帶有兩個切角21、22而產(chǎn)生了兼并模，故可調(diào)整切角的大小及饋電位置，利用單饋就能實現(xiàn)圓極化。
參照圖4，本實用新型最下層B3頻段圓極化微帶貼片天線4由方形環(huán)狀輻射貼片7和方形環(huán)狀接地板8組成，環(huán)狀輻射貼片7的中心設(shè)有方孔29，方形環(huán)狀接地板8中設(shè)有方孔30，該方形環(huán)狀輻射貼片7和方形環(huán)狀接地板8是用相對介電常數(shù)εr1較高、厚度較厚的雙面覆銅介質(zhì)板31用印刷電路技術(shù)一次加工而成，且用相差90°的饋電網(wǎng)絡(luò)32進行雙饋，探針與輻射貼片7在兩正交位置相連接。該饋電網(wǎng)絡(luò)32位于方形環(huán)狀接地板8下面，并用相對介電常數(shù)εr2的單面覆銅介質(zhì)板35加工成印刷電路，其形式為3dB電橋，該3dB電橋的兩個輸出端口引出的探針位置分別為33、34。同軸線37的外導(dǎo)體與饋電網(wǎng)絡(luò)32的方形環(huán)狀接地板8相連，同軸線37的內(nèi)導(dǎo)體與饋電網(wǎng)絡(luò)32的輸入端口相連。本實用新型的測試結(jié)果如圖5、圖6、圖7所示。
由圖5可以看出本實用新型上層圓極化天線的最大增益為5.15dB，3dB波瓣寬度達100°，5°仰角天線的增益最低為-2.01dB。
由圖6可以看出本實用新型中層圓極化天線的最大增益為1.79dB，3dB波瓣寬度達190°，5°仰角天線的增益最低為-0.45dB；由圖7可以看出本實用新型下層圓極化天線的最大增益為4.67dB，3dB波瓣寬度達105°，5°仰角天線的增益最低為-2.44dB。
可見，本實用新型滿足了我國BD-2衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)用戶機天線所要求的在上半空間具有半球形輻射方向圖，特別是滿足了對低仰角提出的苛刻要求，即5°仰角天線的增益不能低于-5dB，而本實用新型5°仰角天線的增益實測最低為-2.44dB。
權(quán)利要求1.一種三頻寬波束圓極化天線，包括不同波段的圓極化天線，其特征在于這些不同波段的圓極化天線依次構(gòu)成工作頻率自上而下由高到低的共軸層疊結(jié)構(gòu)，且上層采用正交下傾曲線偶極子圓極化天線(2)，中層和下層采用分別采用微帶圓極化天線(3)和(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三頻寬波束圓極化天線，其特征在于所述的正交下傾曲線偶極子圓極化天線(2)，采用對稱長臂(11、12)與對稱短臂(13、14)的兩對正交下傾曲線振子組成，這些正交曲線振子(11、12、13、14)依次相差90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三頻寬波束圓極化天線，其特征在于所述的中層微帶圓極化天線(3)由帶有兩個切角(22、23)的環(huán)狀輻射貼片(5)與環(huán)狀接地板(6)組成，該方形環(huán)狀輻射貼片(5)兼作圓極化天線(2)的接地板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三頻寬波束圓極化天線，其特征在于所述的下層微帶圓極化天線(4)由方形環(huán)狀輻射貼片(7)和方形環(huán)狀接地板(8)組成，并采用同軸線(37)和饋電網(wǎng)絡(luò)(32)的雙饋結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三頻圓極化天線，其特征在于所述的方形環(huán)狀接地板(8)下面固定有整體三頻圓極化天線的圓錐型接地板(36)，該圓錐型接地板的下面附加有帶腔接地板(40)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的三頻圓極化天線，其特征在于所述的微帶圓極化天線(3)中設(shè)有方孔(23)和(24)，構(gòu)成偶極子圓極化天線(2)同軸電纜(15)的通道；微帶天線(4)中設(shè)有方孔(29)和(30)，構(gòu)成微帶天線(3)同軸電纜(20)的通道。
專利摘要本實用新型公開了一種三頻寬波束圓極化天線。該天線由不同波段的圓極化天線依次構(gòu)成工作頻率自上而下由高到低的共軸三層結(jié)構(gòu)，其上層采用正交下傾曲線偶極子天線(2)，中層和下層采用分別采用微帶天線(3)和(4)。正交下傾曲線偶極子為對稱長臂(11、12)與對稱短臂(13、14)的正交下傾曲線振子，這些振子依次相差90°；中層微帶天線(3)由環(huán)狀輻射貼片(5)與環(huán)狀接地板(6)組成，該環(huán)狀輻射貼片與圓極化天線(2)的接地板共用；下層微帶天線(4)由方形環(huán)狀輻射貼片(7)和方形環(huán)狀接地板(8)組成，并采用同軸線與饋電網(wǎng)絡(luò)雙饋結(jié)構(gòu)。具有較好的低仰角性能和輪廓低、容易批量生產(chǎn)的優(yōu)點，適用于BD－2雙模用戶機車、船載天線使用。
文檔編號H01Q1/38GK2919563SQ200620078410
公開日2007年7月4日 申請日期2006年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月20日
發(fā)明者黃友火, 趙玉軍, 賀大治, 劉軍州, 王曉飛, 俱新德 申請人:西安海天天線科技股份有限公司