一种加载引向器的4元GPS抗干扰天线阵、移动通信系统的制作方法

一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵、移动通信系统
1.技术领域
2.本发明属于微波天线技术领域，尤其涉及一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵、移动通信系统。
[0003]

背景技术：

[0004]
自1994年gps抗干扰系统的部署完成，并经过不断发展，当前，gps系统在军事与民用中扮演非常重要的角色，在测绘，导航等诸多方面发挥不可替代的作用，而gps抗干扰天线的性能直接影响整个系统，目前微带天线由于其低剖面、结构简单，易小型化等优势被广泛应用于gps抗干扰天线系统中，但随着天线系统的发展壮大，对天线设计提出了进一步的挑战。随着现代gps抗干扰系统的要求，常存在非常有限的空间放置多个频段天线，相同频段天线组阵放置时，当激励其中某个天线单元时，会由于相同电长度产生能量牵引，从而降低天线增益等问题，同时天线需要保持传统设计的同时需要考虑小型化，常通过增加介质介电常数的办法令其小型化，该方法也会降低天线增益，gps抗干扰天线增益会直接影响系统收星效果，因此设计一款高性能的gps抗干扰天线阵非常重要。设计研究了一款包含6个频段，共13个天线单元的gps抗干扰天线4元阵，根据相应需求该天线阵列放置在半径仅为115mm的腔体内部，因此对每个天线单元作小型化设计，采用了高介电常数介质板，但是降低了天线单元增益，根据gps抗干扰需求，腔体最外围放置多个相同频段的天线，但是当激励其中某个单元天线时，能量会有部分牵引到放置在最外围其他相同频段天线上，进一步降低单元增益，对天线系统性能造成了较大影响。针对该问题，设计了一款“耶路撒冷”形的引向器，并将其放置在腔体上方15mm高度处，对s、l、b1与r1频段天线不产生较大影响情况下显著提升了b3与b2b频段天线的增益，且提升了b3与b2b天线的轴比性能。这种加载引向器的4元抗干扰天线阵解决了gps抗干扰天线阵相应天线增益低的问题，并优化了相应天线轴比性能，且结构简单，容易安装，广泛适用于增益偏低的gps抗干扰天线阵列中。
[0005]
现有技术如下：2007年，文献1[y. zhou, c. chen and j. l. volakis, "dual band proximity
‑
fed stacked patch antenna for tri
‑
band gps applications," in ieee transactions on antennas and propagation, vol. 55, no. 1, pp. 220
‑
223, jan. 2007, doi: 10.1109/tap.2006.888476.]提出了采用l型探针馈电的叠层天线，覆盖了gps中l1、l2与l5三个频段，上下两层分别采用了介电常数为16和30的介质板将其小型化，该gps天线小型化同时覆盖了3个频频段，且结构简单等优点，但是该天线的增益只有2dbi。
[0006]
2016年，文献2[c. sun, h. zheng and y. liu, "analysis and design of a low
‑
cost dual
‑
band compact circularly polarized antenna for gps application," in ieee transactions on antennas and propagation, vol. 64, no. 1, pp. 365
‑
370, jan. 2016, doi: 10.1109/tap.2015.2501849.]提出了一种加载双耦合短路探针的小型化微带天线覆盖了gps中的l1和l2频段，使用加载短路金属化过孔技术将天线的总尺寸缩小为λ0×
λ0×
λ0/19，介质板采用低成本的f4b，两个频段内驻波均低于1.5，增益大于4dbi，该天线单元具有宽带、小型化和较高的增益的优势，但是该天线结构较为复杂，加工难度较大。
[0007]
2014年，专利1[深圳市华信天线技术有限公司. 抗干扰天线:cn201420378406.9[p]. 2014
‑
12
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24.]提出了一种gps天线结构以及gps天线无限通信装置，该装置包含天线阵元以及用于固定上述天线阵元的底盘，天线单元具有高隔离度的优势，但是该结构未放置多个频段的天线，且单元尺寸相对较大。
[0008]
2015年，专利2[深圳富泰宏精密工业有限公司,群迈通讯股份有限公司. gps天线结构及具有该gps天线结构的无线通信装置:cn201310712342.1[p]. 2015
‑
06
‑
24.]提出了一种gps天线结构以及gps天线无限通信装置，该装置包含柔性电路板、引向器、反射器和有源振子等固定结构，gps天线形式采用八木天线，具有高指向性高增益的优势，但是该天线结构尺寸过大且无法发射圆极化波。
[0009]
2016年，专利3[北京航天长征飞行器研究所，中国运载火箭技术研究院. 一种小型化七阵元自适应抗干扰天线:cn201610879696.9[p]. 2017
‑
02
‑
22.]提出了一种小型化七阵元自适应抗干扰天线，天线采用了介电常数为10.2的板材将天线小型化，6个副天线等角度排列在主天线周围，同时将天线、低噪声放大器、滤波器集成为一个整体，具有体积小、重量轻、功耗小、抗干扰能力强的优势，但是阵元覆盖的频段较少性能较为单一。
[0010]
2017年，专利4[深圳市鼎耀科技有限公司. 抗干扰阵列集成天线:cn201710562901.3[p]. 2017
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11
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03.]提出了一种抗干扰天线集成天线的装置，装置包括天线底板、多馈点的微带天线单元、多个抗干扰单元以及接头组件；天线具有稳定的相位、对称的方向图、较宽的轴比带宽与阻抗带宽，但是该结构单元未能小型化且腔体放置天线数量较少。
[0011]
2020年，专利5[绵阳北星通信科技有限公司. 一种自适应小体积北斗三代抗干扰天线:cn202020380994.5[p]. 2020
‑
08
‑
28.]提出了一种工作于北斗三代频段的自适应小体积抗干扰天线技术，该装置包含4个采用复合材料上表面覆银的天线单元并采用“y”形排列方法，该发明容易构成半球形波束且结构简单，但是该天线采用单馈性能不够稳定且未能覆盖多个频段。
[0012]
综上所述，大多数gps天线都采用高介电常数的方法小型化，导致天线增益不够高，或采用其他方法小型化，但结构会更加复杂。目前，引向器大多应用于线极化天线，仅有少数应用于圆极化天线，而针对gps系统中的微带天线形式，引向器的应用很少见。文献1提出了采用l型探针馈电的叠层天线，单个天线覆盖了gps中l1、l2与l5三个频段，上下两层分别采用了介电常数为16和30的介质板将其小型化，但是该天线的增益只有2dbi。文献2虽然设计了一种加载双耦合短路探针的小型化微带天线覆盖了gps中的l1和l2频段，且天线单元具有宽带、小型化和较高的增益的优势，但是该天线结构较为复杂，加工难度较大。专利1设计了一种gps天线结构以及gps天线无限通信装置，虽然具有高隔离度的优势，但是该结构未放置多个频段的天线，且单元尺寸相对较大。专利2设计了一种gps天线结构以及gps天线无限通信装置，装置采用了引向器具有高指向性高增益的优势，但是该天线结构尺寸过
大且无法发射圆极化波。专利3设计了一种小型化七阵元自适应抗干扰天线，虽然具有体积小、重量轻、功耗小、抗干扰能力强的优势，但是阵元覆盖的频段较少性能较为单一。专利4设计了一种抗干扰天线集成天线的装置，天线虽具有稳定的相位、对称的方向图、较宽的轴比带宽与阻抗带宽，但是该结构单元未能小型化且腔体内部放置天线数量较少。专利5设计了一种工作于北斗三代频段的自适应小体积抗干扰天线技术，该发明容易构成半球形波束且结构简单，但是该天线采用单馈性能不够稳定且未能覆盖多个频段。因此，亟需一种新的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵，以弥补现有技术的缺陷。
[0013]
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：（1）现有技术中gps抗干扰天线常用高介电常数或者在微带贴片天线上面加载一些寄生结构将其小型化，这会导致增益一定幅度降低或尺寸不够小型化。
[0014]
（2）针对引向器，现有技术很少应用于微带天线形式的gps抗干扰天线，不能满足gps抗干扰系统中的小型化与高增益的需求。
[0015]
解决以上问题及缺陷的难度为：经过上述分析，现代常见gps抗干扰天线系统小型化方法使用较多的是高介电常数或者在微带贴片天线上面加载一些寄生结构，两种方法都具有一定劣势，同时经过系统调研，发现很少有将引向器应用于微带天线形式的gps天线系统中，本发明的特色在于，采用介电常数10.2作为介质板，同时对频率比较大的b2b与r1、b2b与b1作叠层设计，从而将13个天线单元包含6个频段的天线放入半径仅115mm的腔体里，同时为了提高某些的天线增益，设计了一款适用于该抗干扰4元阵的引向器，引向器单元基于中心对称的美学设计形如“耶路撒冷”结构，结构分布在介质板上下，采用曲折的结构将其小型化，将其与gps微带天线阵集成，增益得到较大幅度的提升，且轴比得到相应改善，结构简单轻巧，可与天线罩集成的方式放置在阵列上方即可，目前尚未发现明显缺点。
[0016]
解决以上问题及缺陷的意义为：小型化与高增益是gps天线设计需要考虑十分重要的指标，现有的发明难以将小型化与高增益同时实现，同时关于引向器很少有应用与微带贴片形式的gps天线系统中。本发明创新点一在于独特的组阵方式，采用对频率比较高的频段天线作叠层设计，天线单元均采用介电常数为10.2的介质板将单元小型化，使半径为115mm的腔体内放置了6个频段的13个天线单元，创新点二在于具有小型化优势的“耶路撒冷”型引向器单元设计，将该形式的单元采用圆环式排布放置在低增益的天线单元上面，在未对其他频段天线产生较大影响情况下提升了b3、b2b的增益。该发明简单紧凑，易于加工，广泛适用于微带贴片形式的gps抗干扰天线系统中。
[0017]


技术实现要素：

[0018]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵、移动通信系统。
[0019]
本发明是这样实现的，一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵，所述应用于gps抗干扰天线的引向器设置有：天线腔体；天线腔体上设置有微带天线阵，天线单元采用直径2.5mm的螺丝紧密固定。
[0020]
进一步，所述微带天线阵，包括b3、b2b、b1、r1、s和l1在内的六个频段微带天线阵，
所述微带天线阵顶部放置由“耶路撒冷”形单元组成的引向器结构，所述引向器结构底部距离腔体顶部距离为15mm。
[0021]
进一步，所述天线腔体上打有若干个螺丝孔，用于固定微带天线单元。
[0022]
进一步，所述13个天线单元固定在腔体上方，引向器结构放置在天线阵正上方，引向器外径大小与腔体半径大小一致。
[0023]
进一步，所述引向器结构，包括上层引向辐射贴片、下层引向辐射贴片以及天线一号介质板；其中，所述天线一号介质板的上方印刷上层引向辐射贴片，天线一号介质板的下方印刷下层引向辐射贴片。
[0024]
进一步，所述引向器内部单元尺寸大小为47mm*47mm，所述天线一号介质板的厚度为1mm，每个引向器单元的弯折距离为3.4mm；所述天线一号介质板的介电常数为2.65，构成的圆环形的阵，内径为57.8mm，外径为115mm，厚度为1mm，所述天线一号介质板上下方分布放置引向辐射贴片。
[0025]
进一步，所述微带天线阵，包括4个b3频段天线、4个s频段天线、2个b2b频段天线、1个b2b频段与b1频段叠层天线、1个b2b频段与r1频段叠层天线以及1个l频段天线。
[0026]
其中，所述4个b3频段天线为2号介质板，大小为45mm*45mm*6mm，四周切角10mm*10mm*3mm用于固定天线，所述2号介质板上方印刷b3频段辐射贴片；所述4个s频段天线为3号介质板，大小为30mm*30mm*6mm，四周切角12mm*12mm*3mm用于固定天线，所述3号介质板上方印刷s频段辐射贴片；所述2个b2b频段天线为4号介质板，大小为48.8mm*48.8mm*6mm，四周切角10mm*10mm*3mm用于固定天线，所述4号介质板上方印刷b2b频段辐射贴片；所述1个b2b频段与b1频段叠层天线上下放置分别为5号介质板和6号介质板，四周切角10mm*10mm*3mm用于固定天线，所述5号介质板上方印刷b1频段辐射贴片，所述6号介质板上方印刷b2b频段辐射贴片；所述1个b2b频段与r1频段叠层天线上下放置分别为7号介质板和8号介质板，四周切角10mm*10mm*3mm用于固定天线，所述7号介质板上方印刷r1频段辐射贴片，所述8号介质板上方印刷b2b频段辐射贴片；所述4个l频段天线为9号介质板，大小为38mm*38mm*6mm，四周切角10mm*10mm*3mm用于固定天线，所述9号介质板上方印刷l频段辐射贴片。
[0027]
所述微带天线辐射贴片由等幅移相90
°
的电桥馈电，电桥焊接在每个天线单元背部的功分板上面。
[0028]
本发明的另一目的在于提供一种移动通信系统，所述移动通信系统包含所述的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵。
[0029]
本发明的另一目的在于提供一种gps抗干扰天线系统、所述gps抗干扰天线系统包含所述的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵。
[0030]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵，天线腔体上设置有包含b3、b2b、b1、r1、s、l1的六个频段微带天线阵，每个微带天线通过m2.5的螺丝与腔体紧密固定住；从最外围看起，最外围包括b3频段微带天线4个，b2b频段天线2个，b2b与r1频段叠层天线1个，b2b与b1频段叠层天线1个，次外围包含s频段微带天线4个，中心位置放置l频段天线1个，阵列共计13个天线单元；引向器是放置在天线阵正上方的圆环结构，腔体顶部距离引向器底部距离为15mm；微带天线阵列固定在金属腔体上，引向器放置在微带天线阵正上方，可采用与天线罩集成的方法
将其固定。本发明保证了天线形况下，在十分有限的空间里容纳了13个天线单元，加载的引向器可以较大幅度提高b3、b2b频段天线的增益，同时提升b3与b2b的轴比特性，而对r1、b1、s与l频段天线增益未产生较大影响，本发明结构紧凑简单，容易安装，可广泛适用于gps抗干扰系统中天线系统设计。
[0031]
本发明可以保证天线性能的情况下，将每个天线单元小型化，使相对小的尺寸结构下放置多个频段的多个天线单元。本发明的设计的引向器，在不给其他频段天线造成较大影响情况下提升了相应频段天线的增益，且改善了相应天线的轴比，同时结构紧凑易安装。
[0032]
本发明的组阵方式具有将天线小型化的优势，采用高介电常数介质板与叠层天线设计的方法将13个单元天线放入腔体半径115mm的腔体里面。对于增益较低的单元采用放置引向器的方法提高其增益，保证了4元gps抗干扰天线的整体性能。
[0033]
综上分析，本发明结构简单紧凑，可以从天线单元组阵设计与引向器结合来解决当下gps抗干扰天线面临的小型化与高性能难以兼得的问题，因此该发明可以广泛地应用于需要小型化的gps抗干扰天线系统中。
[0034]
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1是本发明实施例提供的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵的结构示意图；图中：1、引向器结构；2、4元gps抗干扰微带天线阵；3、金属腔体。
[0037]
图2是本发明实施例提供的引向器结构示意图；图中：101、上层引向器辐射贴片；102、下层引向器辐射贴片；103、天线一号介质板。
[0038]
图3是本发明实施例提供的微带天线阵结构示意图；图中：201、b3频段天线单元（每90
°
旋转放置1个，共4个）；202、b2b频段天线单元（每180
°
旋转放置1个，共2个）；203、b2b与b1频段叠层天线单元（b2b与b1频段分别上下叠层放置，共1个）；204、b2b与r1频段叠层天线单元（b2b与r1频段分别上下叠层放置，共1个）；205、s频段天线单元（每90
°
旋转放置1个，共4个）；206、l频段天线单元（唯一的发射天线，共1个）。
[0039]
图4是本发明实施例提供的金属腔体结构示意图；图中：301、m2.5的螺丝孔；302、金属腔体（厚7mm）。
[0040]
图5是本发明实施例提供的加载引向器前后b3频段天线单元phi=90
°
的增益方向图仿真结果对比图。
[0041]
图6是本发明实施例提供的加载引向器前后b3频段天线单元phi=0
°
的增益方向图仿真结果对比图。
[0042]
图7是本发明实施例提供的加载引向器前后b2b频段天线单元phi=90
°
的增益方向
图仿真结果对比图。
[0043]
图8是本发明实施例提供的加载引向器前后b2b频段天线单元phi=0
°
的增益方向图仿真结果对比图。
[0044]
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
针对现有技术存在的问题，以及随着通信系统的发展，gps抗干扰天线需要小型化的同时保证天线的性能，本发明提供了一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵、移动通信系统，微带天线单元采用介电常数10.2作为介质板，同时对频率比较大的b2b与r1、b2b与b1作叠层设计，从而将13个天线单元包含6个频段的天线放入半径仅115mm的腔体里，同时为了提高b2b与b3频段的天线增益，设计了一款适用于该抗干扰4元阵的引向器，引向器单元基于中心对称的美学设计形如“耶路撒冷”结构，结构分布在介质板上下，采用曲折的结构将其小型化，将其与gps微带天线阵集成，增益得到较大幅度的提升，且轴比得到相应改善；该发明非常适用于保证增益较高的同时需要作小型化的天线系统中，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0047]
本发明提供的一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵仅仅是一个具体实施例而已。
[0048]
如图1所示，本发明实施例提供的一种加载引向器的4元gps抗干扰天线阵包括：引向器结构1、4元gps抗干扰微带天线阵2、金属腔体3。金属腔体3上设置有4元gps抗干扰微带天线阵2，金属腔体3背部通过螺丝孔与4元gps抗干扰微带天线阵紧密固定住；其中，4元gps抗干扰微带天线阵2为覆盖6个频带共13个天线单元的微带天线阵列。
[0049]
如图2所示，本发明实施例提供的引向器结构包括：101、上层引向器辐射贴片；102、下层引向器辐射贴片；103、天线一号介质板。
[0050]
金属腔体3顶部距离引向器结构1底部距离为15mm，4元gps抗干扰微带天线阵2固定在金属腔体3上面，引向器结构1的外径与金属腔体3尺寸一致，引向器结构1可通过与天线罩集成的方式紧密固定住。
[0051]
引向器结构1分别由上方引向辐射贴片101，下方引向辐射贴片102以及介质板板1号组成，整个引向器结构内径为57.8mm，外径为115mm，引向器单元基于中心对称的美学设计形如“耶路撒冷”结构，结构分布在介质板上下，采用曲折的结构将其小型化。
[0052]
将引向器单元依据b2b与b3频段天线分布情况旋转组成1*8的阵，可通过与天线罩集成的方式放置在gps抗干扰天线阵的上方，构成了本发明的加载引向器的4元gps抗干扰天线阵，该引向器可以不给其他频段造成较大影响情况下提高对应频段天线增益，另外该引向器适用于各种形式需要作小型化的gps抗干扰天线系统中。
[0053]
如图3所示，本发明实施例提供的4元gps抗干扰微带天线阵2包括：201、b3频段天线单元（每90
°
旋转放置1个，共4个）；202、b2b频段天线单元（每180
°
旋转放置1个，共2个）；
203、b2b与b1频段叠层天线单元（b2b与b1频段分别上下叠层放置，共1个）；204、b2b与r1频段叠层天线单元（b2b与r1频段分别上下叠层放置，共1个）；205、s频段天线单元（每90
°
旋转放置1个，共4个）；206、l频段天线单元（唯一的发射天线，共1个）。
[0054]
如图4所示，本发明实施例提供的金属腔体3包括：301、m2.5的螺丝孔；302、金属腔体（厚7mm）。
[0055]
下面结合仿真实验对本发明的技术效果作详细的描述。
[0056]
图5为用于说明本发明一个实施例中的加载引向器前后b3频段天线单元phi=90
°
的增益方向图仿真结果对比图。由图可知，未加引向器的b3频段的垂直方向增益值为2.94dbi，加载引向器后增益提升至4.32dbi。
[0057]
图6为用于说明本发明一个实施例中加载引向器前后b3频段天线单元phi=0
°
的增益方向图仿真结果对比图。由图可知，未加引向器的b3频段的垂直方向增益值为2.94dbi，加载引向器后增益提升至4.32dbi。
[0058]
图7为用于说明本发明一个实施例中加载引向器前后b2b频段天线单元phi=90
°
的增益方向图仿真结果对比图。由仿真结果可知，未加引向器的b2b频段的垂直方向增益值为3.55dbi，加载引向器后增益提升至5.60dbi。
[0059]
图8为用于说明本发明一个实施例中加载引向器前后b3频段天线单元phi=0
°
的增益方向图仿真结果对比图。由仿真结果可知，未加引向器的b2b频段的垂直方向增益值为3.55dbi，加载引向器后增益提升至5.60dbi。
[0060]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl) 或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0061]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。