一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線的製作方法

2023-09-20 13:38:20 4

專利名稱：一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及天線技術領域，具體地講是一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，適合作為L1L2雙頻GPS車載天線，特別適合作為雙頻BD-2或BD-2與GPS兼容的用戶機車載天線。
背景技術：
眾所周知，衛星通信都使用圓極化天線，例如美國的GPS、俄羅GLONASS、我國的BD-2衛星導航定位系統都希望移動用戶機天線無論是車載、艦載或機載天線，不僅要求尺寸小、生產成本低，而且在雙頻段還要有好的圓極化特性。雖然有許多雙頻圓極化微帶天線可以作為GPS L1和L2頻段的右旋圓極化天線使用，由於全球有24顆衛星供世界各地的用戶使用，所以GPS用戶並不要求GPS天線有好的低仰角性能。但是有的系統，如我國的BD-2衛星導航定位系統，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於-5dB。現有雙頻GPS天線由於低仰角性能差，無法滿足BD-2總體對有兩個輸出電纜的雙頻寬波束圓極化用戶機天線的要求。因此，如何改善圓極化天線低仰角性能是當前研究的一個重要課題。
實用新型內容本實用新型的目的是為了解決現有雙頻GPS天線存在的低仰角性能差，無法滿足BD-2衛星導航定位系統總體對有兩個輸出電纜的雙頻寬波束圓極化用戶機天線要求的問題，提供一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，以滿足我國的BD-2衛星導航定位系統對天線要求的需要。
本實用新型的技術方案是這樣實現的它採用8個倒L型單極子，在結構上進行合理地配置，再用已有的饋電網絡技術給予一定的相位進行饋電而構成。具體地說，它是一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，採用8個倒L型單極子，並將它們以相互間相等的間隔配置在同一平面、同心的圓周上。8個倒L型單極子安裝在接地板上，分別用位於接地板上面和下面的兩個饋電網絡給予0°、90°、180°、270°相位饋電。該天線封裝在天線罩中，最後輸出兩根電纜，一根與B3低噪聲放大器連接，另一根與GPS低噪聲放大器連接。
上述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，所說的以相互間相等的間隔配置在同一平面、同心的圓周上的8個倒L型單極子，每個倒L型單極子均由高度為H的垂直導體和長度為S的水平導體組成，垂直導體與接地板垂直，水平導體與接地板平行，垂直導體和水平導體的幾何尺寸H和S之和為中心工作頻率所對應波長λ0的四分之一上述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，所說的以相互間相等的間隔配置在同一平面、同心的圓周上的8個倒L型單極子，以相互間隔45°配置在同一個圓周上，8個倒L型單極子的垂直導體和水平導體均為直線狀，水平導體均指向圓心。8個倒L型單極子按相互位置間隔分成兩組，分別由兩個饋電網絡通過垂直導體的下端依次按0°、90°、180°、270°相位饋電。
上述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，所說的以相互間相等的間隔配置在同一平面、同心的圓周上的8個倒L型單極子，分成兩組每組4個，分別配置在兩個半徑不同的圓周上，兩個圓周上的倒L型單極子分布的方位相同。位於半徑小的圓周上的4個倒L型單極子，其垂直導體和水平導體均為直線狀，水平導體指向圓心；位於半徑大的圓周上的4個倒L型單極子，其垂直導體為直線狀，水平導體為曲線狀，曲線的曲率與該圓周的曲率相同且指向與圓周重合。若構成的是左旋圓極化天線，則水平曲線導體順時針彎曲；若構成的是右旋圓極化天線，則水平曲線導體返時針彎曲。上述的兩組倒L型單極子，分別由兩個饋電網絡通過垂直導體的下端依次按照0°、90°、180°、270°相位饋電。
本實用新型與現有技術相比具有以下的優點1、由於本實用新型採用了倒L型單極子的結構，倒L型中垂直導體對低仰角輻射的貢獻更為明顯，因而改善了該雙頻圓極化天線的低仰角輻射性能，使合成的垂直面方向圖比較寬，因此適合作為BD-2有兩根輸出電纜的寬波束圓極化天線，或作為BD-2兼容型用戶機有兩根輸出電纜的B3頻段和GPS L1頻段的寬波束圓極化天線。經計算機仿真計算，對B3頻段天線，最大增益為3dBic，5°仰角增益為-3.2dBic，5°以上仰角軸比小於6dB；對GPS L1頻段天線，最大增益為5.4dBic，5°仰角增益為-1.3dBic，5°以上仰角軸比小於7dB。
2、由於倒L型單極子以空氣為介質，既具有輻射效率高，又具有生產成本低的優點。採用4個倒L型單極子及4個饋電點，雖然具有饋電網絡複雜的缺點，但由於採用了4個輻射單元和4個饋電點，不僅使天線結構對稱，確保了全向水平面方向圖的不圓度小於±1.5dB的要求，而且展寬了天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，克服了普通單饋電圓極化貼片天線阻抗和軸比帶寬太窄的缺點，保證了B3頻段所需要的帶寬，其相對帶寬為BW＝1.6％。


圖1a是本實用新型實施例1的總體結構示意圖圖1b是本實用新型實施例1的A-A向剖視圖圖2是本實用新型接地板14上面一個頻段園極化天線的饋電網絡44的示意圖圖3是本實用新型接地板14下面一個頻段園極化天線的饋電網絡13的示意圖圖4是本實用新型實施例2的總體結構示意圖圖5a是本實用新型實施例1的GPS L1頻段計算機仿真的Ф＝0°的垂直面方向圖圖5b是本實用新型實施例1的GPS L1頻段計算機仿真的Ф＝90°的垂直面方向圖圖5c是本實用新型實施例1的GPS L1頻段計算機仿真的軸比圖圖6a是本實用新型實施例1的B3頻段計算機仿真的Ф＝0°的垂直面方向圖圖6b是本實用新型實施例1的B3頻段計算機仿真的Ф＝90°的垂直面方向圖圖6c是本實用新型實施例1的B3頻段計算機仿真的軸比圖
具體實施方式
參看圖1a和圖1b，它是本實用新型有兩根輸出電纜的雙頻寬波束圓極化天線實施例1的總體結構示意圖和其A-A向剖視圖，它由位於同一圓周上的依次間隔45°的8個倒L型單極子5、6、7、8、9、10、11、12、接地板14和位於接地板14上面的饋電網絡44及位於接地板14下面的饋電網絡13組成。每個倒L型單極子都由高度為H的垂直導體42和長度為S的水平導體43組成。垂直導體42和水平導體43均為直線狀，它們的幾何尺寸H與S之和為中心工作頻率所對應波長λ0的四分之一。8個倒L型單極子的垂直導體42均與金屬接地板14垂直，其下端50、60、70、80、90、100、110、120經絕緣材料墊片安裝在金屬接地板14上。8個倒L型單極子的水平導體43均與接地板14平行，並指向圓心。
參看圖1a、圖1b和圖2，其中圖2是本實用新型接地板14上面一個頻段圓極化天線的饋電網絡44的示意圖，選取倒L型單極子天線和饋電網絡的尺寸，用位置上間隔的5、7、9、11倒L型單極子及饋電網絡44組成一個頻段，例如GPS L1頻段寬波束圓極化天線。饋電網絡44是由厚度為h1，相對介電常數為ε1的雙面覆銅介質板2的一面，如其上面光刻腐蝕製造而成。饋電網絡44由3個2功分器15、16和17組成。為了把由4個倒L型單極子5、7、9、11組成的線極化天線變成圓極化天線，就必須依次給它們饋給0°、90°、180°、270°相位的信號，這就要求饋電網絡44具有0°、90°、180°和270°相位關係。為了實現這種相位關係，讓每個功分器的兩個輸出臂帶線的長度差為導波波長λg的四分子一來實現90°相差。把2功分器16的一個輸出臂末端18的相位作為基準0°，讓另外一個輸出臂的長度相對基準長度長λg/4，即使點19的相位相對點18落後90°，同樣讓2功分器17輸出臂末端21點的相位比輸出臂末端20點落後90°，讓2功分器15到功分器17輸入端的相位比到功分器16輸出端的相位落後180°，即讓2功分器15分別到2功分器17和16輸入端的路徑長度長λg/2，結果分別使2分功器16和17兩個輸出臂18、19和20、21的信號相位依次為0°、-90°、-180°、-270°。把功分器16及功分器17的兩個輸出臂18、19和20、21分別與4個倒L型單極子垂直導體的下端50、70、90和110相連接，就完成了把4個倒L型單極子變成圓極化天線的饋電任務。微帶饋電網絡44的地為接地板14，與8個倒L型單極子的接地板14共用。把SFF-50-3同軸電纜29的一端與饋電網絡44相連接，即把同軸線29的內導體與2功分器15的輸入端26相連接，同軸線29的外導體與接地板14相連接，同軸線29的另一端與GPS低噪聲放大器相連接。
參看圖1a、圖1b和圖3，其中圖3是本實用新型接地板14下面一個頻段圓極化天線的饋電網絡13的示意圖。選取倒L型單極子及饋電網絡尺寸，即用另外4個在位置上間隔的倒L型單極子6、8、10、12及饋電網絡13作為B3頻段寬波束圓極化天線。該饋電網絡13與饋電網絡44類似，它也由3個2功分器35、36、37組成，實現0°、90°、180°、270°相位的方法與饋電網絡44相同。雖然B3和GPS一樣均為右旋圓極化(RHCP)，但由於饋電網絡44和13的位置不一樣，44位於接地14的上面，13位於接地板14的下面，為保證B3頻段與GPS一樣均為RHCP，所以必須把結構形式一樣的饋電網絡44反轉180°變成如圖3所示的饋電網絡13那樣。在圖3中，把2功分器36的功分臂22作為基準0°相位，與饋電網絡44的原理相同，則2功分器36的另一個功分臂23的相位為-90°，2功分器37的兩功分臂24的相位為-180°、25的相位為-270°，把倒L型單極子6、8、10、12垂直導體42的下端60、80、100、120分別與饋電網絡13中36和37功分器的功分臂22、23、24和25相連接，就構成了B3頻段RHCP天線。饋電網絡13是用厚度為h2相對介電常數為εr2的雙面覆銅介質板3光刻腐蝕而成。饋電網絡13的地與接地板14共用。
為了在B3和GPS雙頻寬波束圓極化天線接地板下面安裝B3和GPS雙頻的低噪聲放大器，在饋電網絡13的下面安裝了帶有邊環41的金屬板40，且把金屬板40與接地板14連接在一起。把SFF-50-3同軸電纜28的一端與饋電網絡13相連接，即同軸電纜28的內導體與饋電網絡13中功分器35的輸入端27相連接，同軸線28的外導體與接地板14相連接，同軸線28內導體的另一端與B3頻段低噪聲放大器相連接。
參看圖4，它是本實用新型實施例2的總體結構示意圖，它也是有兩根輸出電纜的雙頻寬波束圓極化天線。它仍然由8個倒L型單極子5、6、7、8、9、10、11、12組成。8個倒L型單極子分成兩組各4個倒L，如6、8、10、12和5、7、9、11，它們分別以相互間相等的間隔配置在半徑為R1和R2的圓周上，兩個圓周上的倒L型單極子分布的方位相同，且R1小於R2。饋電網絡仍採用44和13，與圖2和圖3所示相同。若GPS的L1頻率比B3的頻率高，則實施例2中的GPS寬波束圓極化天線由位於半徑為R1圓周上的4個倒L型單極子6、8、10、12和位於接地板14上面的饋電網絡44組成，該4個倒L型單極子的水平導體43均指向圓心。若B3頻段圓極化天線由位於半徑為R2圓周上的4個倒L型單極子5、7、9、11和位於接地板14下面的饋電網絡13組成，此時4個倒L型單極子的垂直導體42不變，水平導體43由原來的直線狀變為曲線狀，曲線的曲率與以半徑為R2的圓周的曲率相同且指向與圓周重合。水平導體43的指向與天線的極化形式有關，若構成的是左旋圓極化天線，則曲線水平導體43順時針沿R2為半徑的圓周彎曲，若構成的是右旋圓極化，則曲線水平導體43反時針沿R2為半徑的圓周彎曲。倒L型單極子垂直導體42和曲線水平導體43幾何尺寸H與S之和為B3頻段中心工作頻率所對應波長λ0的四分之一。
參看圖5a、圖5b和圖5C，它是本實用新型實施1中，對由4個倒L型單極子5、7、9、11及饋電網絡44構成的L1頻段GPS天線，進行的計算機仿真計算，分別得到的φ＝0°、φ＝90°的垂直面增益方向圖和軸比圖。由圖看出，天線的最大增益為5.4dBiC，5°仰角增益為-1.3dBiC，5°以上仰角軸比小於7dB。
參看圖6a、圖6b和圖6C，它是本實用新型實施1中，對由4個倒L型單極子6、8、10、12和饋電網絡13構成的B3頻段寬波束園極化天線，進行的計算機仿真計算，分別得到的φ＝0°、φ＝90°的垂直面增益方向圖和軸比圖。由圖可以看出，天線的最大增益為3dBiC，5°仰角增益為-3.2dBiC，5°以上仰角的軸比小於6dB。
權利要求1.一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，包括接地板(14)、位於接地板上面的饋電網絡(44)和位於接地板下面的饋電網絡(13)，其特徵在於還包括8個倒L型單極子(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)，該8個倒L型單極子安裝在接地板(14)上，並在同一平面、同心的圓周上，以相互間相等的間隔進行配置。
2.根據權利要求1所述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於8個倒L型單極子均由高度為H的垂直導體(42)和長度為S的水平導體(43)組成，垂直導體(42)與接地板(14)垂直，水平導體(43)與接地板(14)平行，垂直導體和水平導體的幾何尺寸H和S之和為中心工作頻率所對應波長λ0的四分之一
3.根據權利要求1或權利要求2所述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於，在同一平面、同心的圓周上以相互間相等的間隔進行配置的8個倒L型單極子，以相互間隔45°配置在同一個圓周上，8個倒L型單極子的垂直導體(42)和水平導體(43)均為直線狀，水平導體均指向圓心，8個倒L型單極子按相互位置間隔分成(5)、(7)、(9)、(11)和(6)、(8)、(10)、(12)兩組，分別由饋電網絡(44)和饋電網絡(13)通過垂直導體(42)的下端依次按0°、90°、180°、270°相位饋電。
4.根據權利要求1或權利要求2所述的一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，其特徵在於，在同一平面、同心的圓周上以相互間相等的間隔進行配置的8個倒L型單極子，分成兩組每組4個，分別配置在半徑為R1和R2的圓周上，兩個圓周上的倒L型單極子分布的方位相同，且R1小於R2；位於半徑為R1的圓周上的4個倒L型單極子(6)、(8)、(10)、(12)，其垂直導體(42)和水平導體(43)均為直線狀，水平導體(43)指向圓心；位於半徑為R2圓周上的4個倒L型單極子(5)、(7)、(9)、(11)，其垂直導體(42)為直線狀，水平導體(43)為曲線狀，曲線的曲率與以半徑為R2的圓周的曲率相同且指向與圓周重合，曲線的旋轉方向與極化形式有關，若構成的是左旋圓極化天線，則水平曲線導體(43)順時針彎曲；若構成的是右旋圓極化天線，則水平曲線導體(43)返時針彎曲，R1和R2圓周上的兩組倒L型單極子，分別由饋電網絡(44)和饋電網絡(13)通過垂直導體(42)的下端依次按照0°、90°、180°、270°相位饋電。
專利摘要本實用新型公開了一種改善低仰角性能的雙頻寬波束圓極化天線，它涉及天線技術領域。為了解決現有雙頻GPS天線由於低仰角性能差，無法滿足BD－2總體對有兩個輸出電纜的雙頻寬波束圓極化用戶機天線的要求而設計。它由接地板14、位於接地板上面的饋電網絡44和位於接地板下面的饋電網絡13和特別設計的8個倒L型單極子5、6、7、8、9、10、11、12組成。該8個倒L型單極子安裝在接地板14上，並在同一平面、同心的圓周上以相互間相等的間隔進行配置。8個倒L型單極子分成兩組，分別由饋電網絡44和13依次按0°、90°、180°、270°相位饋電。該天線能夠改善低仰角性能，用作L
文檔編號H01Q21/24GK2836258SQ20052007919
公開日2006年11月8日 申請日期2005年8月5日 優先權日2005年8月5日
發明者劉軍州, 黃友火, 賀大志, 雷敏, 任輝, 俱新德 申請人:西安海天天線科技股份有限公司