一種小型多頻機載衛星導航天線的製作方法

2023-12-04 22:25:31 1

本發明涉及一種天線，特別是涉及一種小型多頻機載衛星導航天線，屬於測量天線技術領域。

背景技術：

隨著用戶對衛星定位精度需求的提高，現有GPS衛星定位系統的定位精度已不能滿足用戶高精度定位的需求。作為衛星導航定位系統中的關鍵部件，高精度定位天線技術已成為當前急需解決的問題。

隨著北鬥系統的不斷完善，各種應用也在不斷增加，並朝著多系統、多模式的方向發展。衛星導航天線的尺寸、大小、重量、功能和成本已日益成為天線設計師必須綜合考慮的問題。在保證天線功能的情況下，如何將天線做得尺寸更小、重量更輕、成本更低，已成為天線設計師爭奪的焦點。

衛星導航定位天線是一種寬波束天線，要求天線在寬角域範圍內具有較高的增益及穩定的相位中心以及一定的抗幹擾能力。並且尺寸越小越輕薄，越能快速佔領市場。

技術實現要素：

本發明解決的問題是：克服現有技術的不足，提供了一種高精度輕薄型衛星導航天線，工作頻率能夠覆蓋GPSL1、L2、BDB1、B3衛星導航頻段，具有寬頻帶、高增益、相位中心穩定等特點。尺寸小，重量輕，免調試。

本發明的技術解決方案是：

一種小型多頻機載衛星導航天線，包括饋針、壓塊、天線罩、GPS天線印製板、第一BD天線印製板、第二BD天線印製板、隔板、射頻放大電路板、天線安裝框架、接插件和套筒；

螺釘依次將壓塊、GPS天線印製板、第一BD天線印製板、第二BD天線印製板、隔板和射頻放大電路板按照從上到下的順序，固定在天線安裝框架上，中部開口的天線罩設置在GPS天線印製板上，壓塊位於所述天線罩的中部開口處；

饋針為大頭針形式，饋針貫穿GPS天線印製板、第一BD天線印製板、第二BD天線印製板、隔板和射頻放大電路板，且饋針的大頭一端焊接在射頻放大電路板上,另一端與GPS天線印製板焊接；

套筒焊在射頻放大電路板上，接插件固定安裝在天線安裝框架上，接插件的內芯深入套筒內部。

所述GPS天線印製板與第一BD天線印製板接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓環形覆銅，且在該圓環形敷銅的外側45°、135°、225°和315°的位置有矩形調諧齒，用於調節GPS工作頻率範圍，GPS天線印製板的介質層採用TMM10材料。

所述GPS天線印製板的介質層厚度為3.81mm，GPS天線印製板的外徑在35mm到40mm之間，內徑在10mm到15mm之間，調諧齒的長度在2mm到5mm之間，寬度在2mm到3mm之間。

所述第一BD天線印製板與第二BD天線印製板接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓形覆銅，且在該圓形敷銅的外側45°、135°、225°和315°的位置有矩形調諧齒，用於調節BD天線的工作頻率範圍，第一BD天線印製板的介質層採用TMM6材料。

所述第一BD天線印製板的介質層厚度為3.81mm，第一BD天線印製板的直徑在40mm到50mm之間，調諧齒的長度在4mm到7mm之間，寬度在0.5mm到1.5mm之間。

所述第二BD天線印製板與隔板接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓環形覆銅，第二BD天線印製板的介質層採用TMM6材料。

所述第二BD天線印製板的介質層厚度為3.81mm，第二BD天線印製板的外徑在4mm到5mm之間，內徑在2mm到3mm之間。

所述隔板、天線安裝框架和套筒為金屬材料，射頻放大電路板與隔板接觸的一側覆銅，另一側設置電路元器件。

GPS天線印製板上的圓環狀覆銅上設置有兩個饋針孔，一個饋針孔位於XOY坐標系中的(-7.3mm，7.3mm)位置，另一個饋針孔位於位於XOY坐標系中的(-7.3mm，-7.3mm)位位置，所述XOY坐標系的原點為圓環狀覆銅的圓心，+X軸為0°方向，+Y軸為90°方向。

所述饋針長度在12mm到18mm之間。

本發明與現有技術相比的有益效果是：

(1)本發明採用雙埠探針饋電的方式，對上層GPS天線印製板進行饋電。可以改善天線在寬角域範圍內的輻射特性，提高天線在寬角域範圍內的軸比特性、相位中心特性及抗幹擾能力等。

(2)上層GPS天線印製板激勵輻射電磁波以後，通過耦合饋電的方式，可以激勵下層BD天線印製板輻射電磁波。耦合饋電的方式可以有效地擴展天線帶寬。通過耦合饋電，並增加下層BD天線印製板介質層的厚度，工作帶寬可完全覆蓋BDB1、B3頻段。而上層天線印製板覆蓋工作頻率GPSL1、L2，這樣整個天線就可以實現四個頻段同時工作，大大提高了系統的可靠性。

(3)本發明中輻射貼片採用圓形金屬片可以使得天線性能最優。結構簡單，外形美觀，適合批量生產。根據天線的工作頻率，輻射上貼片的外徑控制在35mm到40mm之間，內徑控制在10mm到15mm之間。下層貼片的直徑控制在40mm到50mm之間。考慮到天線結構的可靠性，天線結構除了四周四個螺釘固定之外，輻射上層貼片中間加一壓塊並用螺釘固定。壓塊的高度在4mm到6mm之間。為了應對天線介質板的介電常數偏差帶來的誤差影響，便於調試，上下層貼片四周均加了一定長度的矩形調諧齒。

(4)本發明為了減小天線的尺寸和重量，天線輻射上層貼片和下層貼片均採用高介電常數的印製板。這樣天線外形尺寸可以大大減小。而射頻接插件TNC和套筒的完美配合，使得低噪到射頻輸出口的距離大大減小，就等於接插件的高度。本發明高度方向不含接插件控制在25mm以內，總高度在40mm以內。長度方向在90mm到100mm之間，寬度方向在70mm到80mm之間。所以在尺寸和重量設計上是一個飛躍。經過不斷優化，將整個天線的重量控制在220g以內，實測產品重量215g，比國外同類天線重量輕50g。

附圖說明

圖1為本發明小型多頻機載衛星導航天線側視圖；

圖2為本發明小型多頻機載衛星導航天線俯視圖；

圖3為本發明GPS天線印製板示意圖；

圖4為本發明第一BD天線印製板示意圖；

圖5為本發明第二BD天線印製板示意圖；

圖6為本發明用於同軸饋電的饋針示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行進一步的描述。

本發明設計了一種小型化多頻機載衛星導航天線，可以用於無人機上的導航定位，實現多頻工作，覆蓋GPSL1、L2、BDB1、B3衛星導航頻段；具備較寬的波束覆蓋範圍，增益高，體積小，重量輕，免調試，相位中心穩定度高。廣泛應用於各種定位測量系統中。

如圖1、2所示，本發明提供的小型多頻機載衛星導航天線，包括饋針1、壓塊2、天線罩3、GPS天線印製板4、第一BD天線印製板5、第二BD天線印製板6、隔板7、射頻放大電路板8、天線安裝框架9、接插件10和套筒11。

螺釘依次將壓塊2、GPS天線印製板4、第一BD天線印製板5、第二BD天線印製板6、隔板7和射頻放大電路板8按照從上到下的順序，固定在天線安裝框架9上，中部開口的天線罩3設置在GPS天線印製板4上，壓塊2位於所述天線罩3的中部開口處。

天線罩(3)是跟GPS天線印製板(4)有一面接觸，而天線罩(3)的四周設置有四個螺釘，依次貫穿天線罩(3)、GPS天線印製板(4)、第一BD天線印製板(5)、第二BD天線印製板(6)、隔板(7)和射頻放大電路(8)，最終固定在天線安裝框架(9)上，將上述幾個部分緊固。

如圖1所示，天線罩3採用介電常數為2.2的聚四氟乙烯板加工而成。天線罩3的長度在在60mm到70mm之間，寬度在50mm到60mm之間。天線罩的主要作用是保護GPS天線印製板等。壓塊2的高度為4mm到5mm之間。

如圖6所示，饋針1為大頭針形式，饋針1貫穿GPS天線印製板4、第一BD天線印製板5、第二BD天線印製板6、隔板7和射頻放大電路板8，且饋針1的大頭一端焊接在射頻放大電路板8上,另一端與GPS天線印製板4焊接。

饋針1由黃銅加工製作而成。長度在12mm到18mm之間。採用大頭針形式的好處是，大頭的一側可以勾住射頻放大電路板8的焊盤，使得焊接更牢固。另一側較尖，可以有效地穿過射頻放大電路板8，隔板7、第二BD天線印製板6、第一BD天線印製板5、GPS天線印製板4並焊接牢固。饋針1的作用是實現射頻放大電路板8和GPS天線印製板4之間的射頻信號傳輸，也就是饋電。

如圖3所示，GPS天線印製板4與第一BD天線印製板5接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓環形覆銅，且在該圓環形敷銅的外側45°、135°、225°和315°的位置有矩形調諧齒，用於調節GPS工作頻率範圍，GPS天線印製板4的介質層採用TMM10材料。

GPS天線印製板4的介質層厚度為3.81mm，GPS天線印製板4的外徑在35mm到40mm之間，內徑在10mm到15mm之間，調諧齒的長度在2mm到5mm之間，寬度在2mm到3mm之間。

GPS天線印製板4的上下表面的金屬形狀通過腐蝕得到。調諧齒的作用在於：當介質層TMM10的介電常數偏離規定值較大時，會帶來誤差造成天線工作頻率發生偏移。通過切割調諧齒，使得天線工作頻率位於中心頻率。這樣天線的各項指標最優。

如圖4、圖5所示，第一BD天線印製板5與第二BD天線印製板6接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓形覆銅，且在該圓形敷銅的外側45°、135°、225°和315°的位置有矩形調諧齒，用於調節BD天線的工作頻率範圍，第一BD天線印製板5的介質層採用TMM6材料。

第一BD天線印製板5的介質層厚度為3.81mm，第一BD天線印製板5的直徑在40mm到50mm之間，調諧齒的長度在4mm到7mm之間，寬度在0.5mm到1.5mm之間。

如圖5所示，第二BD天線印製板6與隔板7接觸的一側表面覆銅，另一側的中部為圓環形覆銅，第二BD天線印製板6的介質層採用TMM6材料。

第二BD天線印製板6的介質層厚度為3.81mm，第二BD天線印製板6的外徑在4mm到5mm之間，內徑在2mm到3mm之間。其中第二BD天線印製板6的主要作用為金屬化孔接地，保證與BD1天線印製板5背面地良好接觸。

如圖4所示，第一BD天線印製板5和第二BD天線印製板6是兩層當成一層來使用。因為要覆蓋BDB1、B3工作頻率，單層天線印製板帶寬無法滿足要求。為了擴展帶寬，採用兩層TMM6的方式來擴展帶寬。這樣各項指標可以滿足系統要求。

套筒11焊接在射頻放大電路板8上，接插件10固定安裝在天線安裝框架9上，接插件10的內芯深入套筒11內部。

所述隔板7、天線安裝框架9和套筒11為金屬材料，射頻放大電路板8與隔板7接觸的一側覆銅，另一側設置電路元器件。

如圖1所示，射頻放大電路板8和隔板7的尺寸長度均在60mm到68mm之間，寬度在50mm到58mm之間。射頻放大電路板8的作用可以提高天線增益，保證整機天線具有高增益、高靈敏度、相位中心穩定等優點；隔板7的主要作用是保護射頻放大電路板8。隔板7將射頻放大電路板8和第二BD天線印製板6隔開。在天線安裝框架9的內部空腔裡填充吸波材料，可以有效避免自激，提高天線的電磁兼容性能。

GPS天線印製板4上的圓環狀覆銅上設置有兩個饋針孔，一個饋針孔位於XOY坐標系中的(-7.3mm，7.3mm)位置，另一個饋針孔位於位於XOY坐標系中的(-7.3mm，-7.3mm)位置，所述XOY坐標系的原點為圓環狀覆銅的圓心，+X軸為0°方向，+Y軸為90°方向。

本設計採用雙埠同軸饋電的方式，可以改善天線在寬角域範圍內的輻射特性，提高天線在寬角域範圍內的軸比特性、相位中心特性及抗幹擾能力等。GPS天線印製板4激勵起輻射電磁波以後，可以把能量耦合到第一BD天線印製板5上去，這樣第一BD天線印製板5也可以激勵起輻射電磁波信號。天線就可以實現四個頻段同時工作，大大提高了系統的可靠性。

實施例：

1、饋針1的高度為14.7mm。壓塊2的高度為4.4mm。

2、天線罩3的長度為68mm，寬度為60mm，內徑為32mm。

3、GPS天線印製板4的外徑為38.4mm，內徑為12.5mm；調諧齒長度為4mm，寬度為2.8mm。

4、第一BD天線印製板5的直徑為46mm，調諧齒長度為5.4mm，寬度為0.8mm。第二BD天線印製板6外徑為5mm，內徑為2.6mm。

5、隔板7和射頻放大電路板8的長寬尺寸相同，長度均為66mm，寬度均為58mm。隔板7厚度0.5mm。

6、整機天線的尺寸為長度95.82mm，寬度76.2mm，高度方向不超過25mm(不含接插件等外圍突出部分)。總高度不超過40mm。國外同類天線的長度為119.4mm。本發明比國外同類天線要小。

經過大量仿真及加工測試，該天線能夠充分覆蓋GPSL1、L2、BDB1、B3的頻率範圍，並且在-60°到+60°角域範圍內相位中心穩定度≤2.5mm。天線增益高於35dB，軸比≤4dB。增益與國外同類產品相當，但是尺寸比國外的小，而且實測重量215g，比國外同類導航天線重量輕50g。由於重量輕，本發明可以多個天線組合使用，進行複合定位，提高系統定位及測量精度。本發明產品已經經過飛行試驗考核，性能良好。

本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域的公知技術。