用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线的制作方法

1.本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线。


背景技术：

2.目前，公知的卫星导航定位天线一般带宽较窄，兼容性不足，一种结构往往只能工作于某一两种卫星导航定位系统，如仅工作于gps；或者即使可以覆盖两个卫星导航定位系统，但增益等性能不太好，圆极化性能不够好；还有的采用复杂的天线结构，无法避免地增加了加工成本。
3.进一步的，发明人发现，现有的卫星导航定位天线存在以下不足之处：(1)频带较窄；(2)难以覆盖全球现有的四大卫星导航定位系统的工作频率且增益较低，成本较高。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本实用新型提供了一种用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线，该天线能够覆盖现有的四大卫星导航定位系统的工作频段，其频带宽、增益高、圆极化性能好且成本低。
5.为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.一种用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线，所述天线包括天线部分和馈电部分；
7.所述天线部分包括上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板、馈电部件以及稳固组件，上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板依次间隔设置形成三层结构，稳固组件分别与上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板连接，馈电部件与上层金属辐射片连接，上层金属辐射片与下层金属辐射片相隔的区域形成第一间隔区，下层金属辐射片与底板相隔的区域形成第二间隔区；
8.上层金属辐射片的圆心分别向四周的延伸处分别对称设置多个第一通孔和多个第二通孔，下层金属辐射片的圆心向四周的延伸处也分别对称设置多个第三通孔、多个第四通孔，底板对称设置多个第五通孔，第一通孔和第三通孔分别与稳固组件对应连接，第四通孔和第五通孔分别与稳固组件对应连接；
9.在垂直方向，下层金属辐射片的第三通孔与其相邻的第四通孔隔开；
10.第一通孔和第三通孔的数量相同，第四通孔和第五通孔的数量相同，螺丝和螺柱的数量相同，螺丝和螺柱的数量为第一通孔、第四通孔的数量之和，第一通孔的数量至少包括3个，第三通孔的数量至少包括3个；
11.馈电部分包括功分区、相移区以及输出区，相移区分别与功分区、输出区连接，功分区设有输入信号端，输入信号端用于接收输入信号；
12.功分区用于使一路输入信号功率对半分配形成两路功分信号，相移区用于将两路功分信号进行相移得到两路相移信号，两路相移信号的相位形成180
°
的相位差，输出区用
于将两路相移信号进行功率分配与相移得到四路输出信号，四路输出信号的相位依次相差90
°
；
13.底板的一面设置馈电部分，底板的另一面设置接地面，在垂直方向上，该接地面朝向馈电部件，从而对上作为馈电部件的接地端，对下作为馈电部分的接地端。
14.作为优选的技术方案，所述稳固组件包括1个金属柱、多个螺丝和多个螺柱，螺丝分别设置在通孔上并嵌入对应的螺柱内，金属柱依次贯穿上层金属辐射片的圆心、下层金属辐射片的圆心以及底板的圆心。
15.作为优选的技术方案，第一通孔、第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔设置为4个，螺丝和螺柱均设置为8个。
16.作为优选的技术方案，上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板均采用圆形，在垂直方向上，上层金属辐射片的圆心、下层金属辐射片的圆心、底板的圆心均处于相同位置。
17.作为优选的技术方案，馈电部件包括4个馈电探针和4个金属电容片，4个馈电探针设置的相位依次相差90
°
，每个金属电容片单独与1个馈电探针对应连接；
18.第二通孔用于连接馈电探针，4个馈电探针分别穿过对应的第二通孔并与金属电容片连接，金属电容片设置在馈电探针的顶部位置，金属电容片与上层金属辐射片形成电容区，每个金属电容片与上层金属辐射片之间还设置有隔离片进行隔开，金属电容片、隔离片设置在上层金属辐射片上并位于第一间隔区内，金属电容片与上层金属辐射片形成耦合馈电。
19.作为优选的技术方案，对下层金属辐射片采用耦合馈电，在下层金属辐射片上分别设置四条能量传输缝，四条能量传输缝分别设置在馈电探针与下层金属辐射片的圆心连线的延伸方向上。
20.作为优选的技术方案，四条能量传输缝采用矩形。
21.作为优选的技术方案，隔离片采用fr-4，每个隔离片厚度相同。
22.作为优选的技术方案，所述功分区设有第一微带线、第二微带线和第一电阻，第一微带线和第二微带线的一端相连接并在相连处引出形成输入信号端，第一微带线和第二微带线的另一端分别与第一电阻连接，进而形成一级等分的威尔金森功分器，威尔金森功分器将输入信号进行功率分配形成两路输出；
23.所述相移区设有第一相移单元和第二相移单元，第一微带线和第一电阻的连接形成第一连接点，第一连接点与第一相移单元连接，第二微带线和第一电阻的连接形成第二连接点，第二连接点与第二相移单元连接，进而构成宽带相移器；
24.第一相移单元采用h型结构，第一相移单元包括第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线以及第七微带线，第三微带线分别与第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线连接，第四微带线还与第六微带线连接，第五微带线还与第七微带线连接，从而形成h型结构，第六微带线和第七微带线分别接地；
25.第三微带线分别与第四微带线、第六微带线连接形成第三连接点，第三连接点与第一连接点相连；第三微带线分别与第五微带线、第七微带线连接形成第四连接点，第四连接点与输出区连接；
26.所述第二相移单元包括第八微带线，第八微带线分别与第二连接点、输出区连接；
27.所述输出区包括第二电阻、第三电阻、第一3db电桥和第二3db电桥，第一3db电桥
设有第一输入接口、第二输入接口、第一输出接口、第二输出接口，第一3db电桥的第一输入接口与第四连接点连接，第一3db电桥的第二输入接口与第二电阻连接，第一3db电桥的第一输出接口、第二输出接口分别用于输出0
°
输出信号、-90
°
输出信号；
28.第二3db电桥与第一3db电桥具有相同的结构，第二3db电桥的第一输入接口与第八微带线连接，第二3db电桥的第二输入接口与第三电阻连接，第二3db电桥的第一输出接口、第二输出接口分别用于输出-180
°
输出信号、-270
°
输出信号。
29.本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
30.(1)本实用新型提出的用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线，该天线采用对上层金属辐射片耦合馈电，相比现在常见的层叠贴片天线对下层馈电的方式，使得对辐射片馈电时耦合更加紧密，从而使天线性能更好；馈电部分简易，天线整体结构简单，加工容易，对加工误差有较好的包容性；并且该天线具有更宽的带宽，能覆盖四大卫星导航定位系统的工作频带，其频带宽、增益高、圆极化性能好，除了底板采用pcb板外，无需增加额外的介质基板，大大降低加工材料费；同时相比现有的双层贴片天线，该天线仅需要4个馈电点，减少了一半的馈电点。
31.(2)本实用新型提出的用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线，该天线通过引入空气介质，相比现有贴片天线的天线部分相比，无需采用额外的固体介质板，而是直接利用空气充当介质，一方面可以使工作带宽大大扩大，同时也大大减少了加工成本。
32.(3)在本实用新型提出的用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线中，两层金属辐射片均采用圆形状，并采用4个馈电探针形成4个馈电点进行馈电，这样可以保证圆极化性能良好，同时增大圆极化带宽、提高相位中心稳定性；馈电探针顶端设置金属电容片，可以补偿由于长馈电探针引入的电感，同时形成耦合馈电的方式可以扩大工作带宽。
33.(4)在本实用新型提出的用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线中，由于圆形贴片天线在圆心处的电场为零，所以在两层金属辐射片与地平面的圆心处用一根金属柱连接起来，既不会改变原来的场分布，又可以提高相位中心的稳定性，并使整个结构更加稳固。
34.(5)在本实用新型提出的用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线中，底板在垂直方向上，接地面朝向馈电部件，从而对上作为馈电部件的接地端，对下作为馈电部分的接地端，由于金属能够屏蔽电磁波，所以可以在一定程度上将天线部分和馈电部分隔离开，避免馈电部分对天线部分的辐射方向图造成恶化。
附图说明
35.图1为本实用新型实施例1中用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线的结构示意图；
36.图2(a)为本实用新型实施例1中馈电部件与上层金属辐射片连接的结构示意图；
37.图2(b)为本实用新型实施例1中上层金属辐射片的结构示意图；
38.图2(c)为本实用新型实施例1中下层金属辐射片的结构示意图；
39.图3为本实用新型实施例1中馈电部分的电路示意图；
40.图4为本实用新型实施例1中对s11《-10db频带范围仿真与实测的结果对比图；
41.图5为本实用新型实施例1中对低频段满足gain＞3db频带范围仿真与实测的结果
对比图；
42.图6为本实用新型实施例1中对高频段满足gain＞3db频带范围仿真与实测的结果对比图；
43.图7为本实用新型实施例1中对低频段的轴比分析图；
44.图8为本实用新型实施例1中对高频段的轴比分析图；
45.图9为本实用新型实施例1中用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线在1227mhz频点处的辐射方向图；
46.图10为本实用新型实施例1中用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线在1267mhz频点处的辐射方向图；
47.图11为本实用新型实施例1中用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线在1575mhz频点处的辐射方向图。
48.其中，1-上层金属辐射片，2-下层金属辐射片，3-底板，4-金属柱，5-螺丝，6-螺柱，7-能量传输缝，8-隔离片，9-金属电容片，10-馈电探针，11-第一通孔，12-第二通孔，13-第三通孔，14-第四通孔。
具体实施方式
49.在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
50.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在该词前面的元素或者物件涵盖出现在该词后面列举的元素或者物件及其等同，而不排除其他元素或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
51.在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，否则术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。此外，下面所描述的本公开不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
52.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。
53.实施例
54.实施例1
55.如图1所示，本实施例提出了一种用于高精度卫星导航定位的纯金属圆极化天线，该天线可以覆盖四大卫星导航定位系统工作频段，其中四大卫星导航定位系统包括全球定
位系统(gps)、格洛纳斯系统(glonass)、伽利略系统(galileo)、北斗系统(bd2)。
56.在本实施例中，该天线包括天线部分和馈电部分。
57.结合图1、图2(a)所示，天线部分包括上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板、馈电部件以及稳固组件，上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板依次间隔设置形成三层结构，稳固组件分别与上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板连接，馈电部件与上层金属辐射片连接，上层金属辐射片与下层金属辐射片相隔的区域形成第一间隔区，下层金属辐射片与底板相隔的区域形成第二间隔区，从而在第一间隔区、第二间隔区内引入空气介质，无需采用额外的固体介质板来扩大天线的工作带宽。
58.在本实施例中，稳固组件包括1个金属柱、8个螺丝和8个螺柱，螺丝具体采用塑料螺丝。8个螺丝及螺柱既可以用于确定金属辐射片与金属辐射片间的距离，同时又可以稳固整个结构。
59.结合图1、图2(b)以及图2(c)，上层金属辐射片、下层金属辐射片、底板均采用圆形；在垂直方向上，上层金属辐射片的圆心、下层金属辐射片的圆心、底板的圆心均处于相同位置，同时金属柱依次贯穿上层金属辐射片的圆心、下层金属辐射片的圆心以及底板的圆心，使得整体连接起来，这样不仅可以使整体结构更加稳固，而且可以进一步确保相位中心稳定性，还使得水平面内的各个角度辐射性能接近。
60.上层金属辐射片的圆心分别向四周的延伸处分别对称设置4个第一通孔、4个第二通孔，下层金属辐射片的圆心向四周的延伸处也分别对称设置4个第三通孔、4个第四通孔，底板对称设置4个第五通孔，第一通孔和第三通孔分别与稳固组件对应连接，第四通孔和第五通孔分别与稳固组件对应连接。对于第一通孔，每个通孔到圆心的连线与其相邻通孔到圆心的连线形成90
°
；对于第二通孔、第三通孔、第四通孔、第五通孔，均采用与第一通孔相同的方式设置同类型通孔的相对位置。实际应用时，多个螺丝分别设置在通孔上并嵌入对应的螺柱内，从而紧固三层结构，以确保馈电部件在安装时两层金属辐射片的间距、下层金属辐射片与底板的间距。
61.结合图2(b)和图2(c)，在垂直方向，下层金属辐射片的第三通孔与其相邻的第四通孔隔开。实际应用时，本领域技术人员可根据实际情况调整第三通孔和第四通孔的相对位置。
62.此外，本领域技术人员可根据实际情况调整螺丝、螺柱、第一通孔、第三通孔、第四通孔和第五通孔的数量，其中第一通孔和第三通孔的数量相同，第四通孔和第五通孔的数量相同，螺丝和螺柱的数量相同，螺丝和螺柱的数量为第一通孔、第四通孔的数量之和。第一通孔的数量至少包括3个，第三通孔的数量至少包括3个，从而稳固三层结构。
63.在本实施例中，上层金属辐射片和下层金属辐射片分别用于辐射高、低两个频段的信号。
64.在本实施例中，馈电部件包括4个馈电探针和4个金属电容片，4个馈电探针设置的相位依次相差90
°
，每个金属电容片单独与1个馈电探针对应连接，这样不仅能够实现良好的圆极化性能，还可以确保相位中心稳定性。
65.如图2(a)所示，以其中一个馈电探针为例进行说明其连接关系，第二通孔用于连接馈电探针，4个馈电探针分别穿过对应的第二通孔并与金属电容片连接，金属电容片设置在馈电探针的顶部位置，金属电容片与上层金属辐射片形成电容区，每个金属电容片与上
层金属辐射片之间还设置有隔离片进行隔开，金属电容片、隔离片设置在上层金属辐射片上并位于第一间隔区内，从而避免金属电容片与上层金属辐射片的直接接触；同时，金属电容片与上层金属辐射片形成耦合馈电，既进一步增大了工作带宽，又补偿馈电探针引入的电感。实际应用时，隔离片采用非金属不导电材料。
66.实际应用时，每个隔离片厚度相同，从而确保天线安装时金属电容片与上层金属辐射片的间距一致，进而减小电容辐射片的尺寸。具体地，隔离片为小尺寸的fr-4薄层。
67.为了减少馈电探针的数量，对下层金属辐射片采用耦合馈电，具体在下层金属辐射片上分别设置四条能量传输缝，四条能量传输缝采用矩形并分别设置在馈电探针与下层金属辐射片的圆心连线的延伸方向上，使得能量可以从上层向下层耦合，进而实现下层的谐振，向外辐射能量，并达到减少一半数量的馈电探针的目的。
68.在本实施例中，馈电部分采取了3db电桥与微带线搭建威尔金森功分器与相移器相结合的折中方案。
69.如图3所示，馈电部分包括功分区、相移区以及输出区，相移区分别与功分区、输出区连接，功分区设有输入信号端，输入信号端用于接收输入信号。功分区用于使一路输入信号功率对半分配形成两路功分信号，相移区用于将两路功分信号进行相移得到两路相移信号，两路相移信号的相位形成180
°
的相位差，输出区用于将两路相移信号输出为四路输出信号，四路输出信号的相位依次相差90
°
70.功分区设有第一微带线、第二微带线和第一电阻，第一微带线和第二微带线的一端相连接并在相连处引出形成输入信号端，第一微带线和第二微带线的另一端分别与第一电阻连接，进而形成一级等分的威尔金森功分器，威尔金森功分器将输入信号进行功率分配形成两路输出，从而实现功率一分二。
71.在本实施例中，相移区用于对两路信号在宽带范围180
°
相移，该移区设有第一相移单元和第二相移单元，第一微带线和第一电阻的连接形成第一连接点，第一连接点与第一相移单元连接，第二微带线和第一电阻的连接形成第二连接点，第二连接点与第二相移单元连接，进而构成宽带相移器；
72.第一相移单元采用h型结构，第一相移单元包括第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线以及第七微带线，第三微带线分别与第四微带线、第五微带线、第六微带线、第七微带线连接，第四微带线还与第六微带线连接，第五微带线还与第七微带线连接，从而形成h型结构，第六微带线和第七微带线分别接地；
73.第三微带线分别与第四微带线、第六微带线连接形成第三连接点，第三连接点与第一连接点相连；第三微带线分别与第五微带线、第七微带线连接形成第四连接点，第四连接点与输出区连接；
74.第二相移单元包括第八微带线，第八微带线分别与第二连接点、输出区连接。
75.输出区包括第二电阻、第三电阻、第一3db电桥和第二3db电桥，第一3db电桥设有第一输入接口、第二输入接口、第一输出接口、第二输出接口，依次对应in1引脚、in2引脚、out1引脚、out2引脚，第一3db电桥的第一输入接口与第四连接点连接，第一3db电桥的第二输入接口与第二电阻连接，第一3db电桥的第一输出接口、第二输出接口分别用于输出0
°
输出信号、-90
°
输出信号；
76.第二3db电桥与第一3db电桥具有相同的结构，第二3db电桥的第一输入接口与第
八微带线连接，第二3db电桥的第二输入接口与第三电阻连接，第二3db电桥的第一输出接口、第二输出接口分别用于输出-180
°
输出信号、-270
°
输出信号。经过输出区形成四路相位依次相差90
°
的输出，进而实现功率一分四且相移功能。
77.实际应用时，第一电阻采用100欧姆阻值的电阻，第二电阻以及第三电阻采用50欧姆阻值的电阻。当全采用3db电桥，元器件成本相对较高；当全采用微带线搭建，性能相对较差，如插入损耗较大等。因此将3db电桥与微带线搭建威尔金森功分器与相移器相结合，能够权衡成本与性能。
78.实际应用时，底板采用pcb板，其材质为fr-4，该底板的一面设置馈电部分，底板的另一面设置接地面，该接地面具体通过大面积敷铜构成。在垂直方向上，该接地面朝向馈电部件，即接地面设置在靠近下层金属辐射片的一面，从而对上作为馈电部件的接地端，对下作为馈电部分的接地端，即另一面覆铜的接地面作为馈电部分的地平面与天线部分的地平面。通过利用接地面屏蔽电磁波，将馈电部件和馈电部分隔离开，进而避免馈电部分对馈电部件的辐射方向图造成恶化，极大减小馈电部分对天线部分辐射方向图的影响。
79.结合图3所示，馈电部分将一路输入信号转换为四路相位依次相差90
°
的输出信号。pcb上开有4个第二通孔，分别用来焊接天线部分的馈电探针，第二通孔与馈电探针连接，将信号传到天线部分并由金属辐射片向外界辐射，进而形成四个输出端口。
80.工作原理：
81.馈电部分的电路：结合图3所示，port1为输入端口，从输入端口输入高频信号后，经过等分的威尔金森功分器后转换成两路功率相等的信号，再经过由微带线构建的宽带180
°
相移器后，两路信号有了180
°
的相位差，接着各经过3db电桥分别将每一路信号转换为功率相等、相位差为90
°
的两路信号，即到此将一路输入信号转换为功率相等、相位依次相差90
°
的四路输出信号。再通过在馈电部分的pcb的四个输出端口处打孔，与天线部分的四个馈电探针焊接，将信号传输到天线部分。其中阻抗的分析为：输入端口处的特性阻抗值为第一特性阻抗，即z0，第一微带线处的阻抗为第五微带线处的阻抗为第八微带线处的阻抗为z0(λg)，z是表示微带线的特性阻抗，z1表示第二特性阻抗值，λg表示微带线传输波长。表示微带线传输波长的1/8长度，表示一段特性阻抗为z1，长度为的微带线。实际应用时，z0＝50ω，z1＝2.51z0。本领域技术人员应当明白，可以根据实际情况调整z0和z1。
82.天线部分：由2层金属辐射片、4个带金属电容片的馈电探针、4个隔离片、1个在中心短路的金属柱、8个螺丝及螺柱构成。两层金属辐射片分别对应高、低两个频段的电磁辐射。
83.仿真结果与实测结果：
84.如图4所示，满足s11《-10db频带范围的仿真结果为800mhz-2020mhz，即阻抗带宽为1220mhz；实测结果约为980mhz-1920mhz，即阻抗带宽为940mhz；
85.如图5所示，低频段满足gain＞3db频带范围的仿真结果为1090mhz-1322mhz；实测结果约为1106mhz-1304mhz，；
86.如图6所示，高频段满足gain＞3db频带范围的仿真结果为1437mhz-1853mhz，实测结果约为1420mhz-1986mhz；其中，对于四大卫星导航定位系统的工作频点，bd2为b1、b2、b3，gps为l1、l2、l5，glonass为l1、l2，galileo为l1、e5a、e5b，在增益上均大于6db。
87.结合图7和图8分析，其中用直线样式表示仿真结果，带点直线样式表示实测结果，在上述高、低两个频段内的轴比均小于3，说明圆极化性能良好。
88.结合图9、图10、图11分析，其中用于点划线样式表示实测结果，用直线样式表示仿真结果，图9、图10、图11分别对对应典型频点处的辐射方向图，其频点依次为1227mhz、1267mhz和1575mhz，可以看到该天线在3个典型频点处达到的增益值在误差范围内，其辐射性能良好。
89.在本实施例中，采用更大尺寸的上层金属辐射片、下层金属辐射片，可以增大天线有效截面积，从而提高增益；增大底板尺寸，可以提高对背面辐射能量的反射，从而提高增益、降低后瓣功率、提高前后增益比；若底板尺寸太小，会有很多能量向背面辐射，导致后瓣过大也降低了天线增益，当底板达到一定尺寸后，已经影响不明显，需要在尺寸与效益折中选取；空气层厚度选取适当，可以有效提高天线的工作带宽、增益的同时，不至于激发大量表面波，厚度提高可以增加带宽、提高增益，但增加到一定程度后，容易激发表面波，从而恶化辐射特性，降低效率也使方向图畸形，所以要选取适当的厚度。本领域技术人员应当明白，尺寸大小需根据实际情况调整。
90.上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。