一种宽频带GPS天线

摘要

一种宽频带GPS天线，扼流环由留有中心空腔的多层同心金属圆环壁以及多层同心金属圆环壁下方共同的金属地板构成，金属地板下方安装输出SMA接头并与支座连接；两对双臂螺旋单元以及宽带阻抗变换器安装在扼流环的中心空腔内；同轴套管内管和同轴套管外管开对称槽，对称槽同方位且开槽线相耦合；双臂螺旋单元的一对称臂直接焊接到同轴套管外管的上下两端；另一对称臂的上端通过焊接跨接同轴套管内管和同轴套管外管的上端，其下端焊接在同轴套管外管的下端；同轴套管内管和同轴套管外管的下端通过钎焊密封连接；同轴套管内管对称槽的一侧上端通过短路弧片与中心同轴的内导体连接，内导体的下端穿过同轴线介质支撑终端与输出SMA接头连接。

权利要求

1.一种宽频带GPS天线，其特征在于：包括宽带阻抗变换器(1)、两对双臂螺旋单元(2)、扼流环(3)、支座(4)以及输出SMA接头(5)；

扼流环(3)由留有中心空腔的多层同心金属圆环壁(31)以及多层同心金属圆环壁(31)下方共同的金属地板(32)构成，金属地板(32)下方安装输出SMA接头(5)且通过输出SMA接头法兰与支座(4)连接；两对双臂螺旋单元(2)以及宽带阻抗变换器(1)安装在扼流环(3)的中心空腔内；所述的宽带阻抗变换器(1)包括同轴套管内管(11)、同轴套管外管(12)、内导体(13)和短路弧片(14)；同轴套管内管(11)和同轴套管外管(12)开对称槽，对称槽同方位且开槽线相耦合，外层开槽结构终端短路；双臂螺旋单元(2)的一对称臂直接焊接到同轴套管外管(12)的上下两端；另一对称臂的上端通过焊接跨接同轴套管内管(11)和同轴套管外管(12)的上端，其下端焊接在同轴套管外管(12)的下端；同轴套管内管(11)和同轴套管外管(12)的下端通过钎焊密封连接；同轴套管内管(11)对称槽的一侧上端通过短路弧片(14)与中心同轴的内导体(13)连接，内导体(13)的下端穿过同轴线(15)介质支撑(151)终端与输出SMA接头(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种宽频带GPS天线，其特征在于：所述的两对双臂螺旋单元(2)由两对双臂螺旋以及水平短路线组成，两对双臂螺旋旋向相同，螺旋圈数3/4，螺旋半径分别对应天线的两个工作频率。

3.根据权利要求1所述的一种宽频带GPS天线，其特征在于：所述的扼流环(3)环壁高度递减。

4.根据权利要求1所述的一种宽频带GPS天线，其特征在于：所述的金属地板(32)下方设计有加强筋。

说明书

一种宽频带GPS天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种相位中心稳定的新型宽频带GPS天线，属于天线技术领域，特别涉及一种根据应用需求的宽带阻抗变换器设计，并具有创新性地对宽带阻抗变换器、螺旋结构、扼流环进行组合的结构，以及进行类似设计的思路和方法。

背景技术

[0002] 随着卫星导航技术应用的不断深入和广泛，不仅一般的地面车载或舰船需要进行导航，各种空间应用平台(如飞船、卫星、空间探测器、飞行器等)也都越来越依赖卫星导航信息与定位数据，而且对定位精度的要求也越来越高。这就要求不仅要为各种平台配备适应的GPS接收终端，而且也需要接收更多的来自不同非相干信道的GPS信息来提高定位精度，双频段或多频段GPS应用就成为提高导航性能，获得更多定位信息的自然选择。获得较宽波束特性可以提高接收来自更多GPS卫星的下行信号与定位信息，但在GPS系统中同一时刻可视的GPS卫星毕竟是有限的，若可以接收双频或多频的GPS卫星的下行信号，那么将获得与单频信号成两倍或更多的定位数据，便于通过信息冗余来提高定位精度。这样，双频段(多频段)或宽频段GPS天线就成为设计高性能GPS接收终端的迫切需要，而且与单频段GPS天线相比，双频段或宽频段GPS天线也不会对天线布局提出新的要求，缓解了应用平台的天线布设空间的紧张。而GPS天线相位中心是否稳定会影响每路接收链路中定位数据的精度，宽频段GPS天线相位中心度是除了天线增益外，评价GPS天线性能的最关键指标。设计相位中心稳定的双频段或宽频段GPS天线，来实现原本需要多个单频GPS天线才能完成的功能，是缓解天线布设空间紧张的一个途径，也是增添新的扩展频率应用、增加新的功能应用实现高定位精度的迫切需要。

[0003] 实现工作在卫星平台的双频/宽频GPS接收天线进行集成设计是卫星平台空间天线集成化设计的难题之一。作为卫星平台上无线系统应用的设备，双频/宽频GPS天线获得越来越广泛的应用。该新型宽频带GPS天线结构具有宽带特性，能够进行天线功能应用扩展而不增加新天线，而且通过单一的增加天线数目的方式来解决天线功能应用不断扩展问题将会恶化卫星平台的电磁环境，使天线间电磁耦合复杂化，而现有技术中的有限平台布局结构还很难满足集成化设计的需求，因此功能集成化天线结构的需求越来越迫切。

[0004] 鉴于应用的卫星平台对宽频带GPS天线的特殊要求，天线作为GPS电磁信号的接收端既要满足其电性能又要能够承受平台运动过程中的冲击与振动，同时还要能够承受各种机械扰动，满足空间适应性要求。因此天线对应新增展宽频段的电性能、天线结构刚度、结构强度、空间抗辐照特性也要求很高，结构设计难度很大。现有公开的或已知的宽频带/双频段GPS天线结构很难满足应用需求。常用GPS天线多选用微带天线和介质加载螺旋天i线(参见文献：Overvew of GPS Antennas，Auther：Ely Levine，Afeka Tel Aviv College ofEngineering，Israel)，但是在对宽频段工作和宽波束应用进行实现中很难作到兼顾，而且类似设计多作为地面应用，无法满足空间环境要求，不能作为星载GPS天线进行应用。

发明内容

[0005] 本发明的技术解决问题是：克服现有设计方法的不足，提供一种通过阻抗变换器宽带设计实现的新型宽频带GPS天线，实现天线在L频段工作，保留原有工作频率而又增加新的工作频率不需要增加新的天线。

[0006] 本发明的技术解决方案是：一种宽频带GPS天线，包括宽带阻抗变换器、两对双臂螺旋单元、扼流环、支座以及输出SMA接头；

[0007] 扼流环由留有中心空腔的多层同心金属圆环壁以及多层同心金属圆环壁下方共同的金属地板构成，金属地板下方安装输出SMA接头且通过输出SMA接头法兰与支座连接；两对双臂螺旋单元以及宽带阻抗变换器安装在扼流环的中心空腔内；所述的宽带阻抗变换器包括同轴套管内管、同轴套管外管、内导体和短路弧片；同轴套管内管和同轴套管外管开对称槽，对称槽同方位且开槽线相耦合，外层开槽结构终端短路；双臂螺旋单元的一对称臂直接焊接到同轴套管外管的上下两端；另一对称臂的上端通过焊接跨接同轴套管内管和同轴套管外管的上端，其下端焊接在同轴套管外管的下端；同轴套管内管和同轴套管外管的下端通过钎焊密封连接；同轴套管内管对称槽的一侧上端通过短路弧片与中心同轴的内导体连接，内导体的下端穿过同轴线介质支撑终端与输出SMA接头连接。

[0008] 所述的两对双臂螺旋单元由两对双臂螺旋以及水平短路线组成，两对双臂螺旋旋向相同，螺旋圈数3/4，螺旋半径分别对应天线的两个工作频率。

[0009] 所述的扼流环环壁高度递减。

[0010] 所述的金属地板下方设计有加强筋。

[0011] 本发明与现有技术相比有益效果为：

[0012] (1)该新型天线通过对单频GPS天线结构的精巧改造，进行了宽带阻抗变换器设计，获得了宽频带特性与GPS应用，完成了宽频带GPS天线设计。原理简单，设计容易，具有成本低、应用方便、性能优良、便于大量应用等优点，回避了复杂的基于双频圆极化形成网络的四点馈电设计方案和加工工艺，而这种通过对阻抗变换器进行宽带设计以实现L频段宽频带GPS天线的性能，进而实现L频段宽频带工作的设计方法与天线结构具有很强的实用性。

[0013] (2)本发明能够极大扩展频段应用而不增加天线数目和改变天线布局方式，不会明显影响卫星平台天线的电磁环境，方便对天线功能应用的升级。

[0014] (3)本发明双频GPS天线基于自身方案特点，可以基本覆盖L频段，为宽带特性，具有潜在的频率应用能力，包括对其它卫星定位系统工作频率或GPS扩展频率的定位信号的接收，具有很强的竞争力。

[0015] (4)本发明天线的设计思路不仅可以用于作为L频段宽频带GPS接收天线的设计，也可以用于其它L频段或S、UHF等频段的双频或宽带天线设计。

附图说明

[0016] 图1为本发明宽频带GPS天线结构示意图；

[0017] 图2a为本发明宽频带GPS接收天线两对双臂螺旋单元示意图，图2b为图2a剖视图；

[0018] 图3a为本发明阻抗变换器主视图，图3b为图3a俯视图；

[0019] 图4为本发明扼流环结构图；

[0020] 图5a为本发明宽频带GPS接收天线内部结构剖面图；

[0021] 图5b为本发明宽频带GPS接收天线接口连接详图；

[0022] 图6a为本发明宽频带GPS接收天线应用示意图，图6b为图6a俯视图；

[0023] 图7为本发明天线L频段端口驻波比曲线。

具体实施方式

[0024] 如图1所示，本发明一种宽频带GPS天线，包括宽带阻抗变换器1(巴仑)、两对双臂螺旋单元2、扼流环3、支座4以及输出SMA接头5，两对双臂螺旋单元2以及宽带阻抗变换器1安装在扼流环3的中心空腔内。

[0025] 常见的多螺旋结构天线多为多对相同螺旋构成，而本发明两对双臂螺旋单元2如图2(2a、2b)所示，采用两对螺旋半径不相同的螺旋21、22以及水平短路线23组成，两对螺旋21、22沿轴向缠绕，旋向相同为右旋并正交分布(从螺旋馈电口，即阻抗变换器末端一一天线最高点看)，螺旋圈数3/4，螺旋半径分别对应天线的两个工作频率(不同的两个螺旋半径，分别对应两个常用工作频率L1、L2，并且两个螺旋半径不同的螺旋结合起来能够展宽工作频带)，螺旋是用金属丝弯曲而成，终端都与阻抗变换器1焊接。

[0026] 如图3a、3b所示，宽带阻抗变换器1包括同轴套管内管11、同轴套管外管12、内导体13和短路弧片14；同轴套管内管11和同轴套管外管12开对称槽，对称槽同方位且开槽线相耦合；外层开槽结构终端短路(射频的短路)；双臂螺旋单元2的一对称臂直接焊接到同轴套管外管12的上下两端；另一对称臂的上端通过焊接跨接同轴套管内管11和同轴套管外管12的上端，其下端焊接在同轴套管外管12的下端；同轴套管内管11和同轴套管外管12的下端通过钎焊密封连接；同轴套管内管11对称槽的一侧上端通过短路弧片14与中心同轴的内导体13连接，内导体13为金属棒，内导体13的下端穿过同轴线15介质支撑151终端与输出SMA接头5连接，如图5a所示。同轴套管外管12在图3a中显示为两部分，实为开有对称槽，没有切断。

[0027] 同轴套管内管11和同轴套管外管12都在同一方位开了对称槽，同轴套管内管11和同轴套管外管12开槽的长度与宽度不同，双层套管之间的耦合、对称槽线的阻抗变换以及两层对称开槽线之间的耦合可以展宽阻抗变换器的工作带宽，从而可以覆盖L1、L2两个频段，实现对两对双臂螺旋的馈电。同轴套管内管11与同轴套管外管12的对称槽长度约1/4波长，分别对应L1、L2两个频段；宽度通过优化驻波比得到，改变将调整槽线特征阻抗。

[0028] 该宽带阻抗变换器实现了不平衡一一平衡馈电方式的转换，同时具有阻抗变换作用，可以将螺旋天线具有较大的阻抗实部的天线阻抗转换为天线射频接口所需要的50Ω，宽带阻抗变换器1的同轴输入口与输出SMA接头5连接。

[0029] 如图4所示，扼流环3选择了环壁高度递减的设计方案，扼流环3结构为留有中心腔的多层同心金属圆环壁31以及共同的金属地板32构成。金属地板32下方安装输出SMA接头5且通过输出SMA接头法兰与支座4连接；如图5b所示。为保证刚度，扼流环3下部均有加强筋。为了便于馈电与安装，扼流环3中心留有安装法兰与馈线过孔，天线接口为输出SMA接头5，安装在扼流环3下方，接头法兰与天线支座4通过螺钉连接。

[0030] 图6中，给出了天线的有效接收区域范围，该宽频带GPS天线能够接收处于天线俯仰角±75°内的GPS卫星的定位信号。图7中，给出了天线端口的电压驻波比在L频段的测试曲线。

[0031] 本发明天线在L1、L2频段具有有效接收区域内增益较高、右旋圆极化宽波束、较高辐射效率以及相位中心稳定(相位中心稳定度＝6mm)等特性。天线增益表见表1。该宽频带GPS天线能够在L1(1.57542GHz±10.23MHz)、L2(1.2276GHz±10.23MHz)两个频率实现右旋圆极化波特性的宽波束来接收GPS信号和稳定的定位信息，具有的工作频带较宽，阻抗及辐射性能比较稳定等特点，该天线原理简单，无需复杂网络，有着较高的辐射效率，而且结构紧凑，加工工艺简单，易于加工实现，实用性强，而且结构强度和刚度较好，整体性能优良。

[0032] 表1.天线增益表(单位：dBic)

[0033]

[0034] 该天线的设计思路不仅可以用于作为L频段宽频带GPS接收天线的设计，也可以用于其它L频段或S、UHF等频段的双频或宽带天线设计。

[0035] 本发明未详细介绍内容属于本领域技术人员公知常识。