專利名稱：一種精密gnss定位天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種天線，特別時涉及一種精密GNSS定位天線，屬于高精度定位 天線技術領域。
背景技術：
隨著用戶對衛(wèi)星定位精度需求的提高，現有GPS衛(wèi)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，為此國際上提出了容納目前所有衛(wèi)星定位系統的全球導 航衛(wèi)星系統GNSS (Global Navigation Satellite System)，作為衛(wèi)星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。衛(wèi)星定位天線是一種寬波束天線，要求天線在寬角域范圍內具有較高的增益及 穩(wěn)定的相位中心，并且在低仰角方向具備一定的抗多徑干擾能力。目前衛(wèi)星定位天線 多采用四臂螺旋天線加扼流槽(Choke Ring)形式。如圖1所示，典型的四臂螺旋天線 主要由螺旋臂及饋電支撐結構構成，這種天線的優(yōu)點是電尺寸小，結構緊湊，具有較高 輻射效率，可實現良好的廣角域波束增益覆蓋以及較高的前后比，但是由于四臂螺旋天 線是諧振式天線，主要是通過調整螺旋臂的長度來實現諧振，使螺旋臂上電流呈現駐波 分布，這就造成四臂螺旋天線工作帶寬較窄，不能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO 及GLONASS的頻率范圍，并且由于螺旋臂長度的限制導致螺旋臂在各工作頻點電流分 布不一致，天線螺旋臂在部分工作頻點電流不能夠實現駐波分布，使天線輻射方向圖惡 化，同時導致其相位中心在寬頻帶、寬波束范圍內穩(wěn)定性較差，從而影響天線整體工作 性能。四臂螺旋天線對尺寸精度及螺旋線成形要求較高，結構及加工工藝復雜，成本較 尚ο

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種高精度GNSS定 位天線，能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的頻率范圍，具有寬頻帶、 寬波束、相位中心穩(wěn)定、抗多徑能力強的特點。本發(fā)明的技術解決方案是一種精密GNSS定位天線，包括反射腔、輻射下貼片、輻射上貼片、四個L形金 屬饋電探針、第一支撐柱、第二支撐柱和扼流槽；所述反射腔是一個底面封閉的金屬空心圓柱體且安裝在扼流槽頂部，所述第二 支撐柱是一個金屬圓柱體，并且所述第二支撐柱安裝在所述反射腔的內腔底面圓心位 置，所述第二支撐柱的底面圓心與所述反射腔的內腔底面圓心對齊，四個L形金屬饋電 探針的短臂安裝在所述反射腔的內腔底面上且以所述反射腔的內腔底面圓心為圓心，均 勻分布在同一圓周上，四個L形金屬饋電探針的長臂與所述反射腔的內腔底面平行且指 向所述反射腔的內腔底面圓心，所述輻射下貼片為圓形金屬片且安裝在第二支撐柱頂部，輻射下貼片與第二支撐柱同心，輻射下貼片高于L形金屬饋電探針的高度且輻射下貼片低于反射腔的腔體高 度，所述第一支撐柱是一個金屬圓柱體且安裝在輻射下貼片上，第一支撐柱與輻射 下貼片同心，所述輻射上貼片為圓形金屬片且安裝在第一支撐柱頂部，輻射上貼片與第一支 撐柱同心且輻射上貼片高于反射腔的腔體高度。所述輻射上貼片的直徑在65mm到75mm之間。所述輻射下貼片的直徑在99mm到IOlmm之間。所述第一支撐柱的高度為19mm到21mm之間。所述第二支撐柱的高度為15mm到17mm之間。所述四個L形金屬饋電探針的短臂均勻分布的圓周，直徑為118mm到122mm之 間。所述四個L形金屬饋電探針的短臂長度為7mm到9mm之間，長臂長度為40_ 到45mm之間。所述反射腔的腔體高度在33mm到35mm之間。所述扼流槽為金字塔結構，四個扼流環(huán)高度由里向外遞減，并且各扼流環(huán)等 深、等間距。本發(fā)明與現有技術相比的有益效果是(1)本發(fā)明采用L形金屬饋電探針對輻射下貼片進行耦合饋電，與傳統探針直接 連接饋電的方式相比，由于L形金屬饋電探針的電容耦合作用，改善了輸入端口的阻抗 特性，經過實驗驗證，這種方式可將天線工作帶寬拓展至20% 30%，增加了天線的頻 率覆蓋范圍，能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的頻率范圍(2)通過四點饋電形式形成圓極化，與現有的一點自圓極化和兩點饋電形成圓極 化相比，四點饋電形式結構對稱，能夠有效抑制非對稱饋電結構帶來的不必要的高次模 式，提高天線傳輸主模的純度，在拓展天線匹配特性的同時，有效的改善天線在寬角域 范圍內的輻射特性，提高天線在寬角域范圍內的軸比特性，相位中心特性以及低仰角的 抗多徑干擾能力；(3)本發(fā)明中輻射貼片采用圓形金屬片可以使得天線性能最優(yōu)，并且加工簡單， 外觀美觀。根據天線的工作頻率，輻射上貼片的直徑控制在65mm到75mm之間，輻射 下貼片的直徑控制在99mm到IOlmm之間?？紤]到天線結構的可靠性，輻射貼片采用金 屬圓柱連接并固定在反射腔圓心位置，第二支撐柱的高度在15mm到17mm之間，第一支 撐柱的高度在19mm到21mm之間，這樣既保證了天線的工作頻率特性，也實現了天線的 耦合饋電。四個L形金屬饋電探針的四個短臂均勻分布在直徑為118mm到122mm之間的圓 周上來實現四點饋電，每個L形金屬饋電探針之間的夾角為90度，同時四個L形金屬饋 電探針的四個短臂在7mm到9mm之間，長臂長度在40mm到45mm之間，通過這些尺 寸來保證輻射下貼片與四個L形金屬饋電探針的電容耦合饋電，改善輸入端口的阻抗特 性。由于L形金屬饋電探針相對位置探針間隔離度指標不好，導致工作狀態(tài)下天線端口反射系數較差，降低天線的輻射效率，進一步影響天線在低仰角方向的增益，通過 適當加高反射腔1和輻射上貼片3的高度降低饋電探針間的耦合度，改善工作狀態(tài)下天線 端口反射系數。反射腔的腔體高度在33mm到35mm之間，第一支撐柱的高度在19mm 到21mm之間。(4)本發(fā)明采用金字塔形式扼流槽(Choke Ring)，四個扼流環(huán)高度由里向外遞 減，各扼流環(huán)等深等間距，相比與平面扼流槽，金字塔形式扼流槽扼流環(huán)高度由里向外 遞減，形成一定的高阻抗斜面，能夠更好的抑制低仰角方向的多徑信號，并且經過大量 的仿真及試驗驗證，金字塔形式扼流槽性能更優(yōu)，對天線低仰角方向的多徑信號抑制能 力更強，能夠更好的改善天線的抗多徑能力。


圖1為四臂螺旋天線結構示意圖；圖2是本發(fā)明精密GNSS定位天線的立體結構示意圖；圖3是本發(fā)明精密GNSS定位天線剖面示意圖；圖4是本發(fā)明精密GNSS定位天線饋電探針分布示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行進一步的詳細描述。為了滿足用戶日益增長的衛(wèi)星定位精度需求，國際上提出了容納目前所有導航 衛(wèi)星系統的全球導航衛(wèi)星系統(GNSS，Global Navigation Satellite System)，該系統包 括GPS (Global Positioning System，美國導航衛(wèi)星系統)、BD_2(北斗，中國導航衛(wèi)星系 統)、GALILEO (歐洲導航衛(wèi)星系統)以及GLONASS (俄羅斯導航衛(wèi)星系統)，與現有 GPS導航衛(wèi)星系統相比，GNSS能夠提供更高精度的定位信息、時鐘等。天線作為高精 度定位系統關鍵部件，高精度定位天線技術已成為當前急需解決的問題。結合圖2和圖3，本發(fā)明精密GNSS定位天線主要包括反射腔1、輻射下貼片2、 輻射上貼片3、四個L形金屬饋電探針4、第一支撐柱5、第二支撐柱6和扼流槽7。反射腔1是一個底面封閉的金屬空心圓柱體，直徑160mm到170mm之間，高度 30mm到35mm之間，并且通過螺釘或導電膠安裝在扼流槽7頂部，通過適當提高反射腔 1的腔體高度可以降低饋電探針間的耦合度，改善工作狀態(tài)下天線端口反射系數，提高天 線低仰角方向增益。第二支撐柱6是一個金屬圓柱體，直徑在8mm到16mm之間，尺寸的選擇需要 結合天線整體結構可靠性，第二支撐柱6通過螺紋或導電膠連接在反射腔1的內腔底面圓 心位置，且其底面圓心與反射腔1的內腔底面圓心對齊，其高度在15mm到17mm之間， 該尺寸的選擇除保證天線工作頻率外，還要保證四個L形金屬饋電探針4對輻射下貼片2 的耦合饋電。四個L形金屬饋電探針4的短臂安裝在反射腔1的內腔底面上且以反射腔1的內 腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上，四個L形金屬饋電探針4的長臂與反射腔1 的內腔底面平行且指向反射腔1的內腔底面圓心。與傳統探針直接連接饋電相比，由于 L形金屬饋電探針的電容耦合作用，改善了輸入端口的阻抗特性，經過實驗驗證，這種方
5式可將天線工作帶寬拓展至20% 30%，增加天線的頻率覆蓋范圍，以保證本發(fā)明天線 能夠覆蓋GPS、BD-2、GALILEO及GLONASS的頻率范圍。四個L形金屬饋電探針4分布如圖4所示，四饋電探針沿直徑為118mm到 122mm之間的圓周均勻分布，相鄰兩個饋電探針的夾角為90度。四個L形金屬饋電探針 4短臂長度在7mm到9mm之間，長臂長度在40mm到45mm之間。本發(fā)明采用四點饋 電方式，并且饋入信號幅度相等，相位依次相差90度，實現右旋圓極化(沿天線電磁波 傳播方向，天線所輻射的電場矢量隨時間順時針方向旋轉且矢量末端軌跡變化呈圓形的 極化形式稱為右旋圓極化)，探針采用厚度為Imm的金屬材料，寬度為5mm左右，與現 有的一點自圓極化和兩點饋電形成圓極化相比，由于饋電結構的對稱性，可有效抑制不 必要的高次模式的傳輸，提高天線傳輸主模的純度，降低天線交叉極化，在拓展天線匹 配特性的同時，有效的改善天線在寬角域范圍內的輻射特性，提高天線在寬角域范圍內 的軸比、相位中心特性以及低仰角的抗多徑干擾能力。饋入信號可通過一分四功分饋電 網絡實現，其輸出端通過金屬芯針與四個L形金屬饋電探針4直接焊接，并通過螺釘固定 在反射腔1背部腔內，形成封閉的天線系統，減小空間輻照等環(huán)境對介質材料的影響。輻射下貼片2為直徑在99mm到IOlmm之間、厚度2mm左右的圓形金屬片且 通過螺紋或導電膠連接在第二支撐柱6頂部，與第二支撐柱6同心，輻射下貼片2高于L 形金屬饋電探針4的高度且低于反射腔1的腔體高度。輻射上貼片3為直徑在65mm到 75mm之間、厚度2mm左右圓形金屬片且通過螺紋或導電膠連接在第一支撐柱5頂部， 輻射上貼片3與第一支撐柱5同心且輻射上貼片3高于反射腔1的腔體高度。第一支撐柱5是一個與第二支撐柱6直徑相同的金屬圓柱體且通過螺紋或導電膠 連接在輻射下貼片2上，第一支撐柱5與輻射下貼片2同心，第一支撐柱5的高度在19mm 到21mm之間。輻射貼片可采用采用三角形、矩形、五邊形等其他形狀，相比而言，圓形貼片 性能最優(yōu)，并且加工簡單，外觀美觀，因而采用圓形金屬片。上層貼片的應用可展寬工 作頻帶，提高方向性，改善端口間的隔離度。扼流槽7采用金字塔形狀，四個扼流環(huán)高度由里向外遞減，各扼流環(huán)等深等間 距，相比與平面扼流槽，金字塔形式扼流槽的扼流環(huán)高度由里向外遞減，形成一定的高 阻抗斜面，能夠更好的抑制低仰角方向的多徑信號，并且經過大量的仿真及試驗驗證， 金字塔形式扼流槽性能更優(yōu)，對天線低仰角方向的多徑信號抑制能力更強，能夠更好的 改善天線的抗多徑能力，適當提高天線輻射單元固定高度，可展寬波束范圍，增強天線 的信號接收能力。扼流槽6間距25mm，深度65mm，階梯漸變?yōu)?0mm。為了進一步降低天線輸入端口間的耦合度，改善天線在工作狀態(tài)下的端口反射 系數，減小因端口間的不匹配而導致的增益損失，提高天線輻射效率。還可以在輻射上 貼片3上開孔，圓孔沿直徑20mm 25mm圓周均勻分布，圓孔直徑為6mm到8mm之 間，適當調整圓周半徑，可以使工作狀態(tài)下的端口特性最優(yōu)。下面給出一個具體實施例1、反射腔1的腔體高度為35mm，腔體直徑160mm，腔壁厚度2mm，金屬材 料；2、輻射上貼片3的直徑為70mm，厚度2mm，金屬材料，輻射上貼片上圓孔沿直徑20mm圓周均勻分布，圓孔直徑為6_，輻射下貼片2的直徑為100mm，厚度 2mm，也為金屬材料；3、第一支撐柱5的高度為20mm，直徑16mm，第二支撐柱6的高度為16mm， 直徑16_;第一支撐柱5和第二支撐柱6通過螺紋連接，輻射上貼片3和輻射下貼片2 通過第一支撐柱5和第二支撐柱6螺紋壓接，上述支撐柱均為金屬制造。4、四個L形金屬饋電探針4短臂均勻分布的圓周，直徑200mm，四個L形金屬 饋電探針4短臂在8mm，為直徑2.5mm的金屬圓柱，長臂長度45mm、寬度5mm、厚度 Imm金屬片；5、扼流槽7為金字塔結構，四個扼流環(huán)高度由里向外遞減，并且各扼流環(huán)等深 等間距，間距25mm，深度65mm，階梯漸變?yōu)?0mm，扼流槽也為金屬制造。經過大量仿真及加工測試，該實施例天線能夠充分覆蓋GPS、BD-2、GALILEO 及GLONASS的頻率范圍，并且在-60°到+60°角域范圍內相位中心穩(wěn)定度S2mm，增 益高于-ldB，軸比小于3.5dB，天線增益的前后比大于20dB。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域的公知技術。
權利要求
1.一種精密GNSS定位天線，其特征在于包括反射腔(1)、輻射下貼片(2)、輻 射上貼片(3)、四個L形金屬饋電探針(4)、第一支撐柱(5)、第二支撐柱(6)和扼流槽 (7)；所述反射腔(1)是一個底面封閉的金屬空心圓柱體且安裝在扼流槽(7)頂部，所述第 二支撐柱(6)是一個金屬圓柱體，并且所述第二支撐柱(6)安裝在所述反射腔(1)的內腔 底面圓心位置，所述第二支撐柱(6)的底面圓心與所述反射腔(1)的內腔底面圓心對齊， 四個L形金屬饋電探針(4)的短臂安裝在所述反射腔(1)的內腔底面上且以所述反射腔(1)的內腔底面圓心為圓心，均勻分布在同一圓周上，四個L形金屬饋電探針(4)的長臂 與所述反射腔(1)的內腔底面平行且指向所述反射腔(1)的內腔底面圓心，所述輻射下貼片(2)為圓形金屬片且安裝在第二支撐柱(6)頂部，輻射下貼片(2)與 第二支撐柱(6)同心，輻射下貼片(2)高于L形金屬饋電探針(4)的高度且輻射下貼片(2)低于反射腔(1)的腔體高度，所述第一支撐柱(5)是一個金屬圓柱體且安裝在輻射下貼片(2)上，第一支撐柱(5) 與輻射下貼片(2)同心，所述輻射上貼片(3)為圓形金屬片且安裝在第一支撐柱(5)頂部，輻射上貼片(3)與 第一支撐柱(5)同心且輻射上貼片(3)高于反射腔(1)的腔體高度。
2.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述輻射上貼片(3) 的直徑在65mm到75mm之間。
3.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述輻射下貼片(2) 的直徑在99mm到IOlmm之間。
4.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述第一支撐柱(5) 的高度為19mm到21mm之間。
5.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述第二支撐柱(6) 的高度為15mm到17mm之間。
6.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述四個L形金屬饋 電探針⑷的短臂均勻分布的圓周，直徑為118_到122mm之間。
7.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述四個L形金屬饋 電探針⑷的短臂長度為7mm到9mm之間，長臂長度為40mm到45mm之間。
8.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述反射腔(1)的腔 體高度在33mm到35mm之間。
9.根據權利要求1所述一種精密GNSS定位天線，其特征在于，所述扼流槽(7)為金 字塔結構，四個扼流環(huán)高度由里向外遞減，并且各扼流環(huán)等深、等間距。
全文摘要
一種精密GNSS定位天線，它包括反射腔、輻射下貼片、輻射上貼片、四個L形金屬饋電探針、第一支撐柱、第二支撐柱和扼流槽。反射腔為底面封閉的空心圓柱體，高度略低于輻射上貼片，高于輻射下貼片，輻射下貼片高于L形金屬饋電探針，輻射下帖片通過第二支撐柱與反射腔內底面同心連接，輻射上貼片通過第一支撐柱與輻射下貼片同心連接。四個L形金屬饋電探針安裝在發(fā)射腔內底面上，均勻分布在同一圓周上。反射腔的底面安裝在扼流槽上，扼流槽為金字塔結構，四個扼流環(huán)高度由里向外遞減，并且各扼流環(huán)等深、等間距。本發(fā)明擁有較寬的波束覆蓋能力，在低仰角方向抗多徑干擾能力強，適用于精密定位系統。
文檔編號H01Q1/12GK102013549SQ20101028602
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2010年9月17日
發(fā)明者劉寧民, 張勝輝, 李時良, 李景貴, 郭文嘉 申請人:航天恒星科技有限公司