专利名称：一种用于无线电掩星探测的双频gps天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及天线技术领域，特别是一种用于无线电掩星探测的双频GPS天线。
背景技术：
无线电掩星探测技术可进行中性大气和电离层探测，具有全天候、全球覆盖、高垂直分辨率、高精度、高长期稳定性、无需标定等诸多优点。从而有益于开发空间天气预测技术，极大地推进对空间天气的研究。
双频GPS掩星天线是掩星探测系统的重要组成部分，很大程度上决定着GPS掩星探测系统的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种适合安装在低轨卫星上，接收经大气层折射的GPS掩星信号的双频GPS天线。因为掩星信号微弱，GPS掩星天线要求增益大于10dB，一般采用阵列天线方案。本发明的天线是由四个单元天线组成的1×4阵列天线实现，四个单元天线是均匀分布的。单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式。是由两层辐射介质板和一层馈电介质板组成。
另外本发明在设计时考虑了天线的机械性能及温度特性，以满足卫星的工作环境。在辐射贴片采用四杆支撑的基础上，对中空部分用介质蜂窝加以填充支撑，底部反射板采用轻质铝蜂窝板，此种结构重量轻，有很好的抗冲击和抗振动能力，满足星载要求。
GPS两个载波频率分别为L1＝1575.42MHz，L2＝1227.6MHz。设计宽带天线来覆盖两个频率有一定困难。综合考虑几种天线形式，单元天线选择用层叠式缝隙耦合微带天线形式来实现。单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，两个频段使用不同的辐射贴片，使两个频率相互分离，兼顾了两个频段。馈电网络为了获得宽的频带，采用缝隙耦合的馈电方式。同时采用置于中心的十字缝隙耦合以获得圆极化。因为在这种情况下，两个正交的线极化波被单独激励，且两线极化波幅度相同，相位差为90°，因此可以得到较好的轴比带宽。
本发明的双频GPS天线适合安装在低轨卫星上利用无线电掩星技术进行大气及电离层探测。
发明的优点1.双层辐射贴片分别对应GPS两个频段，两个频段使用不同的辐射贴片，使两个频率相互分离，兼顾了两个频段。
2.十字缝隙耦合的馈电方式，两个正交的线极化波被单独激励，且两线极化波幅度相同，相位差为90°，因此可以得到较好的轴比带宽。
3.采用四点馈电方式，天线具有较好的相位中心稳定性。
4.支撑部分采用介质蜂窝填充，底部采用铝蜂窝板的方案，重量轻、机械性能好，利于星载。
图1是层叠式缝隙耦合微带天线图。
图2是天线馈电网络示意图。
图3是天线功率合成器示意图。
图4是天线外形图。
图5是天线剖面图。
具体实施例方式
图1是单元天线结构，采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，两个频段使用不同的辐射贴片，使两个频率相互分离，兼顾了两个频段。馈电网络为了获得宽的频带，采用缝隙耦合的馈电方式。同时采用置于中心的十字缝隙耦合以获得圆极化。因为在这种情况下，两个正交的线极化波被单独激励，且两线极化波幅度相同，相位差为90°，因此可以得到较好的轴比带宽。
层叠式缝隙耦合微带天线，是由两层辐射介质板、一层馈电介质板和反射底板组成，其组成为在两层辐射介质板上分别有上层辐射贴片和下层辐射贴片，在两层辐射介质板下面是馈电介质板，在馈电介质板上有十字缝隙馈电，在馈电板下面还有反射底板。在两个辐射介质板之间，馈电介质板与下层辐射介质板之间，馈电介质板与反射底板之间均有支撑材料。
决定天线性能的主要参数的选择(1)介质板的选择一般说来，低介电常数及相对较厚的介质带宽会比较宽。但耦合到底层贴片的能量随着介质的厚度增加而减少，介质厚度和介电常数也影响上层贴片和下层贴片之间的互耦。选用介电常数为2.3，厚度为0.8mm的介质板。
(2)贴片的长度和宽度由于圆极化是由两个正交的线极化相移90°构成的，因此贴片要求是正方形的。由于两个贴片间的强耦合，贴片的尺寸必须综合考虑两个频率来设计。上层辐射贴片对应L1频率，为78mm×78mm的正方形。下层辐射贴片对应L2频率，为83mm×83mm的正方形。
(3)缝隙的长度和宽度信号从馈线耦合到底层贴片主要是由缝隙的长度控制的。长的缝隙可以提高耦合度但同时也增大不需要的后向辐射。缝隙的宽度也影响耦合度，但没有长度影响那么明显。确定缝隙为51.6mm×3.8mm的长方形。
(4)各层之间的间距各层之间的间距影响上层辐射贴片和下层辐射贴片之间的互耦，也影响馈电网络能量的输出。上层辐射介质板与下层辐射介质板的间距为7mm，下层辐射介质板与馈电介质板的间距为11mm，馈电介质板与反射底板间距为15mm。
图2是天线馈电网络示意图，它的作用是将十字缝隙耦合得到的等幅度的线极化信号合成为一个右旋圆极化信号同时完成阻抗匹配，利用微带电路实现。四条馈线通过缝隙耦合得到的等幅信号通过三个“Wilkinson”功率合成器合成为一路输出。十字缝隙的每一条缝隙与其中两条馈线正交，这样同一条缝隙的两端耦合的信号就引入了一个180°的相移。同时，两条缝隙之间也存在着90°的相移，这样在四个馈电点上就形成了0°、90°、180°、270°连续的相位变化。靠近馈电点的两个“Wilkinson”功率合成器将两个邻近的馈电点信号(其中一个引入90°相移)合成。其中一个合成器输出经180°相移后与另外的一个功率合成器连到第三个功率合成器的输入端。功率合成器的输入输出阻抗均为50欧姆匹配。馈电网络在1.4GHz的中心频率上设计，可以保证它覆盖L1和L2两个频率。
图3是天线功率合成器示意结构，1~4输入端用电缆分别对应接到4个单元天线的输出端，经过两个“Wilkinson”功率合成器后，整个天线的能量集中在了输出口。
图4是天线外形图，四个方块表示四个层叠式缝隙耦合微带天线，天线是由四个单元天线组成的1×4阵列天线，四个单元天线是均匀分布的，单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，是由两层辐射介质板、一层馈电介质板和反射底板组成。
将四个单元天线一字排开，调整单元天线之间的间隔，使它们的增益同相叠加。即可实现阵列天线的设计。
图5是天线剖面结构，上层贴片介质板对应L1频率，下层贴片介质板对应L2频率，下面还有馈电板和反射底板。为满足星载的结构要求，在各层介质板采用四杆支撑的基础上，对中空部分用玻璃钢蜂窝板加以填充支撑。加以填充支撑，底部反射板采用轻质铝蜂窝板，此种结构重量轻，但却有很好的抗冲击和抗振动能力，使天线具有优良的结构性能，满足星载要求。
权利要求
1.一种用于无线电掩星探测的双频GPS天线，该天线由四个单元天线组成的1×4阵列天线，四个单元天线是均匀分布的，单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，是由两层辐射介质板和一层馈电介质板组成。
2.根据权利要求1所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，两个频段使用不同的辐射贴片，使两个频率相互分离，馈电网络采用缝隙耦合的馈电方式，同时采用置于中心的十字缝隙耦合以获得圆极化，两个正交的线极化波被单独激励，且两线极化波幅度相同，相位差为90°，得到较好的轴比带宽。
3.根据权利要求1或2所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，层叠式缝隙耦合微带天线由两层辐射介质板、一层馈电介质板和反射底板组成，其组成为在两层辐射介质板上分别有上层辐射贴片和下层辐射贴片，在两层辐射介质板下面是馈电介质板，在馈电介质板上有十字缝隙馈电，在馈电板下面还有反射底板，在两个辐射介质板之间，馈电介质板与下层辐射介质板之间，馈电介质板与反射底板之间均有支撑材料。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，层叠式缝隙耦合微带天线的介质板的介质厚度和介电常数的选用，介电常数为2.3，厚度为0.8mm的介质板，上层贴片对应L1频率，为78mm×78mm的正方形，下层贴片对应L2频率，为83mm×83mm的正方形，缝隙的长度和宽度确定缝隙为51.6mm×3.8mm的长方形，上层贴片介质板与下层贴片介质板的间距为7mm，下层贴片介质板与馈电介质板的间距为11mm，馈电介质板与反射底板间距为15mm。
5.根据权利要求1所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，四个单元天线调整单元天线之间的间隔，使增益同相叠加，实现阵列天线。
6.根据权利要求1或5所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，双频GPS天线的两个载波频率分别为L1＝1575.42MHz，L2＝1227.6MHz。
7.根据权利要求1所述的用于无线电掩星探测的双频GPS天线，其特征在于，在各层介质板采用四杆支撑的基础上，对中空部分用玻璃钢蜂窝加以填充支撑，反射底板采用轻质铝蜂窝板。
全文摘要
本发明涉及天线技术领域，特别是一种用于无线电掩星探测的双频GPS天线。天线是由四个单元天线组成的1×4阵列天线，四个单元天线是均匀分布的。单元天线采用层叠式缝隙耦合微带天线形式，由两层辐射介质板和一层馈电介质板组成。天线在四杆支撑的基础上采用蜂窝结构，此种结构重量轻，有很好的抗冲击和抗振动能力，满足星载要求。本发明的双频GPS天线适合安装在低轨卫星上利用无线电掩星技术进行大气及电离层探测。
文档编号H01Q21/30GK101064381SQ200610076008
公开日2007年10月31日 申请日期2006年4月24日 优先权日2006年4月24日
发明者杜起飞, 孙越强, 朱光武, 刘正廷, 陶鹏, 王世金, 梁金宝, 白伟华, 王晶, 杜拴余, 李长源 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心