抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線的製作方法

2023-10-11 01:23:49

專利名稱：抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線的製作方法
技術領域：
抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線技術領域[0001]本發明涉及一種適於大地測量型衛星導航地面接收終端、高精度定位定向衛星導航地面接收終端的雙頻高隔離度寬波束高穩定相位中心天線，其典型工作頻段為L和S頻段，具有結構緊湊、駐波小、軸比小、軸比帶寬寬、雙頻隔離度高、寬波束範圍內相位中心超穩定等顯著優點。
背景技術：
[0002]目前，美國的全球衛星導航系統、中國的北鬥衛星導航系統、俄羅斯的格洛納斯系統和歐洲正在籌建的伽利略導航系統構成全球四大衛星導航系統。這四大系統可以提供普通精度(通常為10米級)的定位，也可以提供高精度(通常為毫米級)的定位。後者主要廣泛用於大地測量學及其相關領域，也廣泛用於高精度定位定向領域。而其中天線技術屬於核心技術，普通天線由於其相位中心的不穩定會帶來釐米級及以上的誤差，無法實現毫米級的超聞精度定位和定向。[0003]當前能夠實現超高精度定位和定向的衛星導航系統主要是美國的全球衛星導航系統和中國的北鬥系統，現有的主要針對美國全球衛星導航系統的高穩定相位中心天線主要包括兩種形式採用軸對稱多饋源的微帶疊層貼片天線，如Trimble公司的Z印hyr測量型天線；採用「風火輪」技術的多臂平面螺旋縫隙天線，如果Novatel GPS-600天線。前者通過軸對稱的對饋源設計保持天線的軸對稱性，饋源越多，對稱性越好，相位中心穩定度越高，當饋電網絡越複雜，且帶寬較窄，相位中心穩定性較低，且不易調節；後者通過多個繞軸對稱的縫隙螺旋臂保證天線高穩定相位中心，饋電網絡採用串行行波微帶線饋電電路，結構較為簡單，但是其相位中心穩定性較低，且不易調節。發明內容本發明提供一種具有結構緊湊、駐波小、軸比小、軸比帶寬寬、雙頻隔離度高、寬波束範圍內相位中心超穩定、不圓度低、易於調節的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線。[0005]本發明採用如下技術方案[0006]一種抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，包括天線罩和用於反射信號和強抑制多徑幹擾的三維金屬扼流圈，所述三維金屬扼流圈包括高度相等的中心基座、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈與中心基座同心，並且，第三扼流圈位於第四扼流圈內，第二扼流圈位於第三扼流圈內，第一扼流圈位於第二扼流圈內，中心基座位於第一扼流圈內，中心基座、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈為金屬筒，所述天線罩設在三維金屬扼流圈的中心基座上，在三維金屬扼流圈的中心基座內設有第一功分器和第二功分器，在天線罩內且在三維金屬扼流圈的中心基座上設有相互疊加在一起的第一輻射天線和第二輻射天線且由穿過第一福射天線和第二福射天線中心的空心短路螺釘固定在三維金屬扼流圈的中心基座上，在第一福射天線與三維金屬扼流圈的中心基座之間設有第一同軸電纜，第一同軸電纜的內芯的一端與第一輻射天線的輻射片連接，第一同軸電纜的內芯的另一端與第一功分器的第一支路連接，第一同軸電纜的屏蔽層的一端與第一輻射天線的地連接，第一同軸電纜的屏蔽層的另一端與第一功分器的地連接；在第二輻射天線與三維金屬扼流圈的中心基座之間設有第五同軸電纜且第五同軸電纜穿過空心短路螺釘，第五同軸電纜的內芯的一端與第二輻射天線的地連接，第五同軸電纜的內芯的另一端與第二功分器的第一支路連接，第五同軸電纜的屏蔽層的一端與第二輻射天線的輻射片連接，第五同軸電纜的屏蔽層的另一端與第二功分器的地連接。[0007]與現有技術相比，本發明具有如下優點[0008]本發明中採用雙層微帶基板層疊結構實現雙頻圓極化高隔離度高穩定相位中心天線，特別針對上層輻射天線在上層採用多饋源饋電(典型值為四饋源)結構，饋電同軸電纜通過空心金屬短路螺釘內部穿越到三維金屬扼流圈內部，進而與第二一分四功分器四個輸出埠分別連接，最後通過第二一分四功分器主路輸出；針對下層輻射天線在下層採用多饋源饋電(典型值為四饋源)結構，四個饋源分別與第一一分四功分器四個輸出埠連接，最後通過第一一分四功分器主路輸出；該結構中，由於上層輻射天線的饋電內芯無需穿越下層輻射天線介質材料，而是通過中心空心短路螺釘內部穿越下來，從而實現了兩個天線的高隔離饋電，有效降低了兩個天線之間的互耦，極大改善了工作於兩個工作頻點的天線之間的隔離度以及通過第一一分四功分器連接的輻射天線的駐波。[0009]本發明中可以對第一介質層、第二介質層內部所有饋電穿孔都進行內孔壁金屬化，饋電同軸內芯可以有效焊接第一介質層、第二介質層內部所有饋電穿孔，從而顯著改善了饋電連接可靠性。[0010]本發明中對第二金屬層、第四金屬層周邊設有金屬點陣。由於高穩定相位中心天線要求在工作波束內的所有區域天線都有一致的相位特性，然而通常由於介質材料加工工藝原因，介質材料本身的介電常數難以做到完全一致，因此根據實際測試結果，通過對增加的金屬點陣進行刻除調節，來改善天線相位中心和增益方向圖的一致性以及降低軸比指標。本發明中採用的三維金屬扼流圈，通過採用不同深度、不同高度(相對於三維金屬扼流圈基座的中心基座上端面)的多個扼流圈，可以有效的降低多徑信號的幹擾，同時改善了天線的交叉極化性能，且不顯著降低天線的相位特性。


[0012]在結合附圖閱讀描述後，本發明的上述目的、其它特徵和優點都會更明顯，其中[0013]圖1是本發明的天線整體前視剖面圖。[0014]圖2是本發明的天線整體側視剖面圖。[0015]圖3是本發明的三維扼流圈俯視圖。[0016]圖4是本發明的第一金屬層俯視圖。[0017]圖5是本發明的第一介質層俯視圖。[0018]圖6是本發明的第二金屬層俯視圖。[0019]圖7是本發明的第三金屬層俯視圖。[0020]圖8是本發明的第二介質層俯視圖。[0021]圖9是本發明的第四金屬層俯視圖。[0022]圖10是本發明的第一天線相位方向圖。[0023]圖11是本發明的第一天線俯仰角60度時增益方向圖。[0024]圖12是本發明的第一天線方位角O度時增益方向圖。[0025]圖13是本發明的第一天線軸比特性。[0026]圖14是本發明的第二天線相位方向圖。[0027]圖15是本發明的第二天線俯仰角60度時增益方向圖。[0028]圖16是本發明的第二天線方位角O度時增益方向圖。[0029]圖17是本發明的第二天線軸比特性。[0030]圖18是本發明的第一天線和第二天線的隔離度。[0031]圖19是本發明的第一一分四功分器結構原理圖。[0032]圖20是本發明的第一一分四功分器的俯視圖。[0033]圖21是本發明的第二一分四功分器結構原理圖。·[0034]圖22是本發明的第二一分四功分器的俯視圖。[0035]其中，I為天線罩，2為空心金屬短路螺釘，3為第四金屬層，4為第二介質層，6為第三金屬層，7為第二金屬層，8為第一介質層,9為第一金屬層，11-1、11-2、11-3和11_4為第一天線的四個饋電口，10-1、10-2、10-3和10-4為第二天線的四個饋電口，13為第——分四功分器主路埠，13-1、13-2、13-3和13_4為第一一分四功分器四個支路埠，13-0第分四功分器地，13-5為第分四功分器介質，13-6為第分四功分器網絡層，14 為第二一分四功分器主路埠，14-1、14-2、14-3和14_4為第二一分四功分器四個支路埠 14-0第二一分四功分器地，14-5為第二一分四功分器介質，14-6為第二一分四功分器網絡層，15為三維金屬扼流圈的中心基座，16為三維金屬扼流圈的第一扼流圈，17為三維金屬扼流圈的第二扼流圈，18為三維金屬扼流圈的第三扼流圈，19為三維金屬扼流圈的第四扼流圈。
具體實施方式
[0036]一種抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，包括天線罩I和用於反射信號及抑制多徑幹擾的三維金屬扼流圈，所述三維金屬扼流圈包括高度相等的中心基座15、第一扼流圈16、第二扼流圈17、第三扼流圈18和第四扼流圈19，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈與中心基座15同心，並且，第三扼流圈位於第四扼流圈內， 第二扼流圈位於第三扼流圈內，第一扼流圈位於第二扼流圈內，中心基座15位於第一扼流圈內，中心基座15、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈為金屬筒，所述天線罩I設在三維金屬扼流圈中心基座15上，在三維金屬扼流圈中心基座15內設有第一功分器13和第二功分器14，在天線罩內且在三維金屬扼流圈中心基座15上設有相互疊加在一起的第一輻射天線和第二輻射天線且由穿過第一輻射天線和第二輻射天線中心的空心短路螺釘2 固定在三維金屬扼流圈中心基座15上,在第一福射天線與三維金屬扼流圈中心基座15之間設有第一同軸電纜11-1，第一同軸電纜11-1的內芯的一端與第一輻射天線的輻射片連接，第一同軸電纜11-1的內芯的另一端與第一功分器13的第一支路13-1連接，第一同軸電纜11-1的屏蔽層的一端與第一輻射天線的地連接，第一同軸電纜11-1的屏蔽層的另一端與第一功分器13的地13-0連接；在第二輻射天線與三維金屬扼流圈中心基座15之間設有第五同軸電纜10-1且第五同軸電纜10-1穿過空心短路螺釘2，第五同軸電纜10-1的內芯的一端與第二輻射天線的地連接，第五同軸電纜10-1的內芯的另一端與第二功分器14 的第一支路14-1連接，第五同軸電纜10-1的屏蔽層的一端與第二輻射天線的輻射片連接， 第五同軸電纜10-1的屏蔽層的另一端與第二功分器14的地14-0連接。[0037]所述的第一輻射天線由按照從下至上的順序疊合設置的第一金屬層9、第一介質層8及第二金屬層7組成，且所述第一金屬層9為第一輻射天線的地，第二金屬層7為第一輻射天線的輻射片。在第二金屬層7的外部設有由設在第一介質層8上的金屬凸點構成的第一金屬點陣，設在第一介質層8上的金屬凸點位於以空心短路螺釘2的中心為圓心的圓周上且均勻分布於圓周上。[0038]所述的第二輻射天線由按照從下至上的順序疊合設置的第二金屬層7、第三金屬層6、第二介質層4及第四金屬層3組成，且所述第二金屬層7為第二輻射天線的地，第四金屬層3為第二輻射天線的輻射片。在第四金屬層3的外部設有由設在第二介質層4上的金屬凸點構成的第二金屬點陣，設在第二介質層4上的金屬凸點位於以空心短路螺釘2的中心為圓心的圓周上且均勻分布於圓周上。[0039]在本實施例中，在第一輻射天線與三維金屬扼流圈中心基座15之間還設有第二同軸電纜11-2、第三同軸電纜11-3及第四同軸電纜11-4，第二同軸電纜11-2、第三同軸電纜11-3及第四同軸電纜11-4的內芯的一端分別與第一輻射天線的輻射片連接，第二同軸電纜11-2、第三同軸電纜11-3及第四同軸電纜11-4的內芯的另一端分別與第一功分器13 的第二支路13-2、第三支路13-3及第四支路13-4連接，第二同軸電纜11-2、第三同軸電纜 11-3及第四同軸電纜11-4的屏蔽層的一端分別與第一輻射天線的地連接，第二同軸電纜 11-2、第三同軸電纜11-3及第四同軸電纜11-4的屏蔽層的另一端分別與第一功分器13的地13-0連接，所述第一同軸電纜11-1、第二同軸電纜11-2、第三同軸電纜11-3及第四同軸電纜11-4以空心短路螺釘2為對稱軸對稱分布；[0040]在第二輻射天線與三維金屬扼流圈中心基座15之間設有第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10-3及第八同軸電纜10-4且第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10-3及第八同軸電纜10-4穿過空心短路螺釘2，第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10-3及第八同軸電纜10-4的內芯的一端分別與第二輻射天線的地連接，第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜 10-3及第八同軸電纜10-4的內芯的另一端分別與第二功分器14的第二支路14-2、第三支路14-3及第四支路14-4連接，第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10_3及第八同軸電 纜 10-4的屏蔽層的一端分別與第二輻射天線的輻射片連接，第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10-3及第八同軸電纜10-4的屏蔽層的另一端分別與第二功分器14的地14-0連接，所述第五同軸電纜10-1、第六同軸電纜10-2、第七同軸電纜10-3及第八同軸電纜10-4以空心短路螺釘2為對稱軸對稱分布。[0041]在本實施例中，第——分四功分器的四個支路即13-1、13-2、13_3和13_4的信號幅度相等，信號相位依次為0°、90°、180°和270°或者相位依次為0°、-90°、-180°和-270°，形成四饋源饋電結構，實現左旋圓極化或者右旋圓極化。[0042]在本實施例中，第二一分四功分器的四個支路即14-1、14-2、14-3和14_4的信號幅度相等，信號相位依次為0°、90°、180°和270°或者相位依次為0°、-90°、-180° 和-270°，形成四饋源饋電結構，實現左旋圓極化或者右旋圓極化。[0043]在本實施例中，三維金屬扼流圈的中心基座15和三維金屬扼流圈的第一扼流圈 16形成的扼流環、三維金屬扼流圈的第一扼流圈16和三維金屬扼流圈的第二扼流圈17形成的扼流環對應第二輻射天線參數，實現對第二輻射天線工作頻點多徑信號的抑制和交叉極化信號的抑制。[0044]在本實施例中，三維金屬扼流圈的第二扼流圈17和三維金屬扼流圈的第三扼流圈18形成的扼流環、三維金屬扼流圈的第三扼流圈18和三維金屬扼流圈的第四扼流圈19 形成的扼流環對應第一輻射天線參數，實現對第一輻射天線工作頻點多徑信號的抑制和交叉極化信號的抑制。[0045]下面參加本發明的一個優選實施例的詳細內容，實施例1結合附圖進行說明。在可能的情況下，用於所有附圖和說明的同一標號表示相同或相似的部分。該實施例是一種用於GPS系統的地面接收天線，其兩個工作頻點為L波段，均是右旋圓極化，整體結構如圖1到圖9所示結構，其第一天線相位方向圖如圖10所示，第一天線俯仰角60度時增益方向圖如圖11所示，第一天線方位角O度時增益方向圖如圖12所示，第一天線軸比特性如圖13所示，其中仰角在±60波束範圍內，相位波動小於±2°，仰角60度時增益波動小於 ±0. 15dB，軸比均小於1. 25dB,由於增加了三維金屬扼流圈，天線在俯仰角60度以上時增益顯著下降，有利於提高了抗多徑幹擾性能，同時交叉極化增益非常小，小於_20dB，有利於提高抗交叉極化信號性能；第二天線相位方向圖如圖14所示，第二天線俯仰角60度時增益方向圖如圖15所示，第二天線方位角O度時增益方向圖如圖16所示，第二天線軸比特性如圖17所示，其中仰角在±60波束範圍內，相位波動小於±3°，仰角60度時增益波動小於 ±0. 15dB，軸比均小於3. 2dB,由於增加了三維金屬扼流圈，天線在俯仰角60度以上 時增益顯著下降，有效提高了抗多徑幹擾性能，同時交叉極化增益非常小，小於-14dB，有利於提高抗交叉極化信號性能；第一天線和第二天線的隔離度如圖15所示，達到23dB以上。綜上所述，優選實例的指標達到很好的指標。[0046]儘管本發明已經參照附圖和優選實施例進行了說明，但是，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。本發明的各種更改、變化，和等同物有所附的權利要求書的內容涵蓋。
權利要求1.一種抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，包括天線罩(I)和用於反射信號和抑制多徑幹擾的三維金屬扼流圈，所述三維金屬扼流圈包括高度相等的中心基座(15)、第一扼流圈(16)、第二扼流圈(17)、第三扼流圈(18)和第四扼流圈(19),第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈與中心基座(15)同心，並且，第三扼流圈位於第四扼流圈內，第二扼流圈位於第三扼流圈內，第一扼流圈位於第二扼流圈內，中心基座(15 )位於第一扼流圈內，中心基座(15 )、第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈和第四扼流圈的位置沿高度方向逐圈向下，第一扼流圈、第二扼流圈、第三扼流圈及第四扼流圈為金屬筒，所述天線罩(I)設在三維金屬扼流圈的中心基座(15)上,在三維金屬扼流圈的中心基座(15)內設有第一功分器(13)和第二功分器(14)，在天線罩內且在三維金屬扼流圈的中心基座(15)上設有相互疊加在一起的第一輻射天線和第二輻射天線且由穿過第一福射天線和第二福射天線中心的空心短路螺釘(2 )固定在三維金屬扼流圈的中心基座(15)上，在第一輻射天線與三維金屬扼流圈的中心基座(15)之間設有第一同軸電纜 (11-1),第一同軸電纜(11-1)的內芯的一端與第一福射天線的福射片連接，第一同軸電纜 (ll-ι)的內芯的另一端與第一功分器(13)的第一支路(13-1)連接,第一同軸電纜(I 1-1) 的屏蔽層的一端與第一輻射天線的地連接，第一同軸電纜(11-1)的屏蔽層的另一端與第一功分器(13)的地(13-0)連接；在第二輻射天線與三維金屬扼流圈的中心基座(15)之間設有第五同軸電纜(10-1)且第五同軸電纜(10-1)穿過空心短路螺釘(2)，第五同軸電纜(10-1)的內芯的一端與第二輻射天線的地連接，第五同軸電纜(10-1)的內芯的另一端與第二功分器(14)的第一支路(14-1)連接，第五同軸電纜(10-1)的屏蔽層的一端與第二輻射天線的輻射片連接，第五同軸電纜(10-1)的屏蔽層的另一端與第二功分器(14)的地 (14-0)連接。
2.根據權利要求1所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，第一輻射天線由按照從下至上的順序疊合設置的第一金屬層(9)、第一介質層(8)及第二金屬層(7)組成，且所述第一金屬層(9)為第一輻射天線的地，第二金屬層(7)為第一輻射天線的輻射片。
3.根據權利要求2所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，在第二金屬層(7)的外部設有由設在第一介質層(8)上的金屬凸點構成的第一金屬點陣，設在第一介質層(8)上的金屬凸點位於以空心短路螺釘(2)的中心為圓心的圓周上且均勻分布於圓周上。
4.4根據權利要求1所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，第二輻射天線由按照從下至上的順序疊合設置的第二金屬層(7)、第三金屬層 (6)、第二介質層(4)及第四金屬層(3)組成，且所述第二金屬層(7)為第二輻射天線的地， 第四金屬層(3)為第二輻射天線的輻射片。
5.根據權利要求1所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，在第四金屬層(3)的外部設有由設在第二介質層(4)上的金屬凸點構成的第二金屬點陣，設在第二介質層(4)上的金屬凸點位於以空心短路螺釘(2)的中心為圓心的圓周上且均勻分布於圓周上。
6.根據權利要求1所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，在第一輻射天線與三維金屬扼流圈中心基座(15)之間還設有第二同軸電纜(11-2)、第三同軸電纜(11-3)及第四同軸電纜(11-4)，第二同軸電纜(11-2)、第三同軸電纜(11-3) 及第四同軸電纜(11-4)的內芯的一端分別與第一輻射天線的輻射片連接，第二同軸電纜 (11-2)、第三同軸電纜(11-3)及第四同軸電纜(11-4)的內芯的另一端分別與第一功分器(13)的第二支路(13-2)、第三支路(13-3)及第四支路(13-4)連接，第二同軸電纜(11-2)、 第三同軸電纜(11-3)及第四同軸電纜(11-4)的屏蔽層的一端分別與第一輻射天線的地連接，第二同軸電纜(11-2)、第三同軸電纜(11-3)及第四同軸電纜(11-4)的屏蔽層的另一端分別與第一功分器(13)的地(13-0)連接，所述第一同軸電纜(11-1)、第二同軸電纜 (11-2)、第三同軸電纜(11-3)及第四同軸電纜(11-4)以空心短路螺釘(2)為對稱軸對稱分布。
7.根據權利要求1所述的抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，其特徵在於，在第二輻射天線與三維金屬扼流圈中心基座(15)之間設有第六同軸電纜(10-2)、第七同軸電纜(10-3)及第八同軸電纜(10-4)且第六同軸電纜(10-2)、第七同軸電纜(10-3) 及第八同軸電纜(10-4)穿過空心短路螺釘(2)，第六同軸電纜(10-2)、第七同軸電纜 (10-3)及第八同軸電纜(10-4)的內芯的一端分別與第二輻射天線的地連接，第六同軸電纜 (10-2)、第七同軸電纜(10-3)及第八同軸電纜(10-4)的內芯的另一端分別與第二功分器(14)的第二支路(14-2)、第三支路(14-3)及第四支路(14-4)連接，第六同軸電纜(10-2)、 第七同軸電纜(10-3)及第八同軸電纜(10-4)的屏蔽層的一端分別與第二輻射天線的輻射片連接，第六同軸電纜(10-2)、第七同軸電纜(10-3)及第八同軸電纜(10-4)的屏蔽層的另一端分別與第二功分器(14)的地(14-0)連接，所述第五同軸電纜(10-1)、第六同軸電纜 (10-2)、第七同軸電纜(10-3)及第八同軸電纜(10-4)以空心短路螺釘(2)為對稱軸對稱分布。
專利摘要一種抗多徑多饋源多波段寬波束高穩定圓極化微帶天線，含天線罩和三維金屬扼流圈，三維金屬扼流圈含中心基座、第一、二、三和四扼流圈，天線罩設在中心基座上，在中心基座內設有第一和第二功分器，在天線罩內且在中心基座上設有第一、二輻射天線且由空心短路螺釘固定，在第一輻射天線與中心基座之間設第一同軸電纜，內芯一端與第一輻射天線的輻射片連，另一端與第一功分器的第一支路連，屏蔽層一端與第一輻射天線地連，另一端與第一功分器地連；在第二輻射天線與中心基座之間設有第五同軸電纜且第五同軸電纜穿過空心短路螺釘，內芯分別與第二輻射天線地連及第二功分器的第一支路連，屏蔽層分別與第二輻射天線的輻射片及第二功分器地連。
文檔編號H01Q21/30GK202855898SQ20122043244
公開日2013年4月3日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者曹振新, 夏繼鋼, 梅玉順 申請人:中電科技揚州寶軍電子有限公司, 東南大學, 揚州寶軍蘇北電子有限公司