一種小型抗多徑幹擾的寬帶GNSS天線的製作方法

2023-09-27 06:43:50 2

本實用新型涉及天線領域，尤其是指一種小型抗多徑幹擾的寬帶GNSS天線。

背景技術：

GNSS是指全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System)，GNSS天線是接收衛星信號的終端天線。一直以來，GNSS天線都是各國非常重視的一個重要研究領域，對於軍用方面的重要性不言而喻，同時因為定位系統對民用生活越來越重要，而定位精度主要取決於天線的精度，因此GNSS天線的研究一直都是各國科學家研究的前沿陣地。同時，因為GNSS天線工作頻帶比較寬，應用的環境比較惡劣，設計寬帶高性能的GNSS天線並不容易，這也是GNSS天線設計的一個難點。

隨著中國北鬥導航系統的加入，衛星導航產業得到不斷發展。為了便於接收信號，GNSS天線採用圓極化方式。常用的衛星通訊頻段有GPS：L1：1575MHz，L2：1227MHz，L5:1176MHz；北鬥二代：B1:1561MHz；B2:1207MHz；B3:1268MHz；GLONASS：1612MHz。若設計一款天線能覆蓋當前所有GNSS信號，則帶寬至少需要覆蓋1160MHz-1615MHz，尤其是在1.175GHz和1.575GHz這個頻點附近。GNSS天線主要採用右旋圓極化方式，由此帶來天線信號被反射變成左旋圓極化信號，導致接收天線容易受到多徑衰落和幹擾的問題，這是影響衛星定位系統精度的極大問題。此外，衛星天線信號較弱，GNSS接收天線需要較高且較平穩的增益；圓極化天線還面臨著較大頻率範圍內相位不穩定的問題，另外天線需要在較低的仰角內接收信號，這樣才能實現更精確定位。因此要設計一款抗多徑幹擾、高回波損耗、增益高且平穩的寬帶GNSS天線是一個難點。

GNSS天線近70年的研究成果對現階段學習研究提供了很多參考依據，抗多徑幹擾的研究也已經有不少成果，目前抗多徑幹擾天線的主要方法有三個：(1)因為入射到天線的直達信號是右旋圓極化波，而大多數多徑信號是一次反射引起的，其極化方式由右旋圓極化變為左旋圓極化，且天線低仰角的軸比性能一般較差，所以，對於從低仰角進入天線的多徑信號而言，軸比性能的提高對多徑幅度的衰減很重要。(2)通過設計天線的方向圖，可以使接收天線在多徑信號到達的方向增益較小，主要體現在降低天線低仰角和後向增益上。(3)採用扼流圈技術，削弱多徑信號，這也是目前不少業內人士研究的方向。實現寬帶圓極化的方式多樣，結構也有很大差異；實現低軸比、高增益的方法主要是結構高度對稱，有效輻射單元面積儘量大。多諧振是多個輻射單元產生的多個諧振點組合，或者引入寄生單元來產生寬帶。多模實現圓極化主要藉助微帶天線多模特性，通過各種枝節加載來分解高次模，使主模和高次模在特定頻段上近似正交簡併模，以此實現圓極化。

軸比是衡量天線圓極化特性的重要指標，其定義為極化橢圓長軸和短軸的比值，通常用取對數來表示，它代表圓極化的純度。軸比是影響天線接收信號的最主要因素，對天線的抗多徑幹擾也起到重要影響，實現抗多徑幹擾的其中一種方式就是降低天線的軸比，尤其是在theta＝90°或者更大時，如果天線的軸比較低，同時交叉極化比很大，那麼天線的抗多徑幹擾性能就比較好。

早在2001年，李克等人就提出一種抗多徑幹擾的智能天線，該天線利用天線陣列，同時接受各路信號，對天線的信號強度進行分析，然後比較接收的時間差，轉換為相位差，經過信號處理，濾出幹擾信號實現抗多徑幹擾天線。

滿豐等人於2011年發表題為「多頻GNSS抗多徑天線的設計和實現」的論文。文中提到一種引入立體扼流圈來實現抗多徑幹擾的GNSS天線，該天線採用四臂螺旋輻射結構實現天線主要輻射，同時在天線周圍疊加四層具有厚度的扼流圈來達到抗多徑幹擾的目的。該天線的扼流圈高度約為四分之一波長，厚度約為十分之一波長，階梯狀排布，從而抑制表面波，對反射的多徑信號進行抑制。該天線的抗多徑幹擾工作頻點主要在B1/B2/B3，具有較好特性。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種小型抗多徑幹擾的寬帶GNSS天線，該GNSS天線具有小型、抗多徑幹擾、寬帶、低軸比、增益平穩等特點，所述GNSS天線適合用於衛星導航設備上。

為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為：一種小型抗多徑幹擾的寬帶GNSS天線，包括圓形輻射單元、微帶線功分移相網絡、三角形輻射單元、過孔、饋電過孔、圓形介質基板、圓盤形地板、同軸導體、饋電同軸內導體、金屬圓筒；所述圓形輻射單元設在圓形介質基板的正面上方，並與該圓形介質基板同圓心；所述微帶線功分移相網絡設置在圓形介質基板的背面，由花朵型微帶線、直線型微帶線、威爾金森功分器、隔離電阻、阻抗變換微帶線、匹配網絡調節枝節構成；所述圓形輻射單元高於三角形輻射單元，兩者之間產生耦合，所述圓形輻射單元與三角形輻射單元通過耦合產生圓極化輻射，其中所述三角形輻射單元垂直於圓形介質基板，並以圓形介質基板的圓心為中心，採用環形陣列分布於圓形介質基板上，所述三角形輻射單元與微帶線功分移相網絡連接，主要實現微帶線功分移相網絡埠的阻抗過渡，所述圓形輻射單元和三角形輻射單元共同實現天線的輻射；所述圓盤形地板設置在圓形介質基板的正面，起反射作用，用於隔離微帶線功分移相網絡與圓形輻射單元以提高天線增益；所述圓盤形地板的邊緣圍有金屬圓筒，所述金屬圓筒與圓盤形地板相連，並與圓形輻射單元等高，用於拓寬軸比波束寬度和降低軸比，並增強匹配和抗多徑幹擾；所述過孔和饋電過孔貫穿圓盤形地板和圓形介質基板；所述同軸導體穿過過孔將三角形輻射單元與微帶線功分移相網絡相連；所述饋電同軸內導體穿過饋電過孔給天線饋電。

所述圓形輻射單元的外邊緣與金屬圓筒靠近，增大輻射面積的同時提高阻抗匹配，並且降低天線軸比，在theta＝90°時有較低的軸比，實現抗多徑幹擾。

所述過孔與饋電過孔的半徑相同，且比同軸導體和饋電同軸內導體的半徑大。

所述圓盤形地板的半徑與圓形介質基板相同。

本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：

1、與已有的GNSS天線相比，本實用新型採用兩個輻射單元耦合，能夠實現較好的圓極化，本實用新型的圓形輻射單元結構輻射面積大、規則簡單易於加工、中心對稱分布；所述三角形輻射單元與微帶線功分移相網絡結合後，天線整體具有較低的軸比、較好的抗多徑幹擾特性。

2、與已有的GNSS天線相比，本實用新型天線具有更小的尺寸、更新穎的結構、更寬的軸比頻率帶寬、更低的軸比、較大的回波損耗、較高且平穩的增益，相比於已有GNSS天線，具有更好的性能。

附圖說明

圖1為本實用新型GNSS天線實例的俯視及截面示意圖。

圖2為本實用新型GNSS天線實例去掉圓形輻射單元的俯視及截面示意圖。

圖3為本實用新型GNSS天線實例的微帶線功分移相網絡示意圖。

圖4為本實用新型GNSS天線實例的立體圖。

圖5為本實用新型GNSS天線實例的S11仿真示意圖。

圖6為本實用新型GNSS天線實例的軸比仿真示意圖。

圖7為本實用新型GNSS天線實例的增益仿真示意圖。

圖8為本實用新型GNSS天線實例1.175GHz交叉極化比增益。

圖9為本實用新型GNSS天線實例1.175GHz軸比波束寬度示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。

如圖1至圖4所示，本實施例所述的小型抗多徑幹擾的寬帶GNSS天線，包括圓形輻射單元1、圓形介質基板2、四個過孔3、饋電過孔4、四個同軸導體5、饋電同軸內導體6、圓盤形地板7、微帶線功分移相網絡、四個三角形輻射單元14和金屬圓筒15。所述圓形輻射單元1設在圓形介質基板2的正面上方，高度為25mm，並與該圓形介質基板2同圓心，用於產生圓極化輻射，所述圓形介質基板2的材料是FR_4、介電常數為4.4、厚度為1mm、半徑為54mm。所述微帶線功分移相網絡設置在圓形介質基板2的背面，由花朵型微帶線8、直線型微帶線9、威爾金森功分器10、隔離電阻11、阻抗變換微帶線12、匹配網絡調節枝節13構成，實現功率一分四、相位差分別為0°、90°、180°、270°。所述圓形輻射單元1高於三角形輻射單元14，兩者之間產生耦合，所述圓形輻射單元1與三角形輻射單元14通過耦合產生圓極化輻射；所述三角形輻射單元14與微帶線功分移相網絡連接，且垂直於圓形介質基板2，並以圓形介質基板2的圓心為中心，採用環形陣列分布於圓形介質基板2上，主要實現微帶線功分移相網絡埠的阻抗過渡，所述圓形輻射單元1和三角形輻射單元14共同實現天線的輻射；所述圓盤形地板7設置在圓形介質基板2的正面，其半徑與圓形介質基板2相同，起反射作用，用於隔離微帶線功分移相網絡與圓形輻射單元1以提高天線增益。所述圓盤形地板7的邊緣圍有金屬圓筒15，所述金屬圓筒15與圓盤形地板7相連，並與圓形輻射單元1等高，用於拓寬軸比波束寬度、降低軸比。所述圓形輻射單元1的外邊緣與金屬圓筒15靠近，增大輻射面積的同時提高阻抗匹配，並且能降低天線軸比，在theta＝90°時有較低的軸比，實現抗多徑幹擾。所述過孔3和饋電過孔4貫穿圓盤形地板7和圓形介質基板2，所述同軸導體5穿過過孔3將三角形輻射單元14與微帶線功分移相網絡相連，所述饋電同軸內導體6穿過饋電過孔4給天線饋電。過孔3與饋電過孔4的半徑相同，且比同軸導體5和饋電同軸內導體6的半徑大。

本實施例中的連接圓形輻射單元1、三角形輻射單元14能產生圓極化輻射的電磁輻射場；所述圓盤形地板7能隔離圓形輻射單元1和微帶線功分移相網絡；所述金屬圓筒15能夠抑制表面波並抗多徑幹擾，同時起到降低軸比、提高軸比波束寬度、穩定增益、增強匹配、抑制反射信號的作用。

圖5是本實施例寬帶GNSS天線的S11仿真結果，從圖中可以看出，該實施例的-15dB帶寬覆蓋1.12GHz-1.62GHz，其-15dB相對阻抗帶寬為35.7％，完全覆蓋當前GNSS通信頻段。

圖6是本實施例寬帶GNSS天線的軸比特性曲線，從圖中可以看出，在-15dB阻抗帶寬內實施例的軸比不超過0.8dB，具有高度圓極化特性，尤其是在1.175GHz和1.575GHz兩個主要GNSS通信頻段更是不超過0.4dB，具有極低的軸比,擁有高度圓極化。

圖7是本實施例寬帶GNSS天線的左旋圓極化和右旋圓極化的增益仿真結果，從圖中可以看出，右旋圓極化在阻抗帶寬頻段內的增益均高於5dB且保持穩定，而左旋圓極化的在該阻抗帶寬內的增益均小於-20dB，尤其是在1.175GHz和1.575GHz兩個主要GNSS通信頻段分別低於-27dB和-35dB，具有極好的右旋圓極化屬性，更容易接收GNSS的右旋圓極化信號，並抑制反射的多徑幹擾信號。

圖8是本實施例寬帶GNSS天線1.175GHz的交叉極化比增益，從圖中可以看出此頻率下，phi＝0°和phi＝90°對應的17.5dB波束寬度超過200°，具有超寬波束特性。

圖9是本實施例寬帶GNSS天線1.175GHz的軸比波束寬度，從圖中可以看出此頻率下的3-dB軸比波束寬度超過200°，意味著在theta＝±90°時其軸比低於3dB。

綜合圖8和圖9的結果來看，本實用新型GNSS天線在寬軸比波束寬度的同時，天線交叉極化比增益也很高，在theta＝±90°時其軸比低於3dB，同時交叉極化比增益也高於17.5dB，具有突出的抗多徑幹擾性能，另外在GNSS通信頻段內天線的回波損耗超15dB，對信號發射機的影響比較小，值得推廣。

以上所述實施例只為本實用新型之較佳實施例，並非以此限制本實用新型的實施範圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護範圍內。