专利名称：基于多频段多系统的宽频带卫星定位微带接收天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接收天线，特别涉及一种采用聚四氟乙烯为介质的基于多频段多系统的宽频带卫星定位微带接收天线。
背景技术：
众所周知，现有的双频微带天线作为测量型天线，通常只能接收来自GPS(Global Positioning System 全球定位系统)L1 频段信号和来自 GLONASS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)Ll频段的信号或两个以上相邻频段的信号，如GPS 系统的Ll频段、GLONASS系统的Ll频段和中国北斗二代系统导航频段等。随着多模卫星导航、定位技术的发展，需要多系统同时提供导航、定位服务，因此， 在实际使用中用户可以根据需要自行选择接受所需要的卫星信号，天线的性能直接关系到最终测量精度的高低，天线相位中心的变化和多径效应是影响精度最主要的误差来源，天线低仰角增益影响接收机的灵敏度。目前使用的导航接受天线中，其频率覆盖范围、辐射波束宽度等很难同时达到实用要求。天线的相位中心与其几何中心在理论上应保持一致。然而，天线的相位中心实际上是随信号输入的强度和方向不同而变化的，即观测时相位中心的瞬时位置(一般称相位中心)与理论上的相位中心将不一致，这种偏差称为天线相位中心位置偏差。这种偏差的影响可达数毫米至数厘米，所以如何减少天线相位中心位置偏差是天线设计中的一个重要问题。普通的天线都是只有一个馈电点，此种天线的相位中心稳定性差，抗多径能力差。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种采用聚四氟乙烯为介质的基于多频段多系统的宽频带卫星定位微带接收天线。这种天线设计为多个馈源接受RF信号，通过馈源的优化排列，使得接受多个频段信号的物理相位和电气相位中心能够同轴，使接收信号的偏差几乎为0，达到抑制多径干扰信号的目的，同时，由于多频段信号具有稳定的同一个相位中心，因此，采用该天线还具备较好的相位中心稳定性的特点。这种天线可以接收来自 GPS 的 Ll (1575+/-12MHZ)、L2 (1227+/-12MHZ)和 L5(1176MHZ)频段信号和来自 GLONASS 的 Ll (1609+/-7MHZ)和 L2 (1252+/-7MHZ)频段的信号与来自 GALILE0L1 (1575+/-12MHZ)、 El (1602+/-7MHZ)、E2 (1560+/-1MHZ)、E5B (1200+/-7MHZ)、E6 (1278+/-12MHZ)以及来自北斗 L(1616MHZ)、Bl (1561+/-2MHZ)、B2 (1207+/-10MHZ)和 B3 (1268+/-10MHZ)频段的信号。同时这种天线结构相对简单，接收精度很高。本发明的具体技术方案如下基于多频段多系统的宽频带卫星定位微带接收天线，包括上层微带天线、下层微带天线和置于底层的馈电网络印刷电路板；所述上层微带天线采用长75mm、宽75mm、厚度为4mm的，以介电常数为2. 62士0. 2 的聚四氟乙烯为介质的多边形天线，所述下层微带天线采用长90mm、宽90mm、厚度为4mm的，以介电常数为2. 62士0. 2的聚四氟乙烯为介质的多边形天线，所述上层微带天线和下层微带天线通过多跟馈针的方式与馈电网络印刷电路板连接；所述述印刷电路板上的馈电网络包括第一电桥耦合器、第二电桥耦合器、第三电桥耦合器、第四电桥耦合器、第五电桥耦合器、第六电桥耦合器、第一滤波器、第二滤波器、 第三滤波器、第四滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五噪声放大器和合成器；其中两个相邻所述上层微带天线的馈点的信号经所述第一电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；另两个相邻所述上层微带天线的馈点的信号经所述第二电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；其中两个相邻所述下层微带天线的馈点的信号经所述第三电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器；另两个相邻所述下层微带天线的馈点的信号经所述第四电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器；所述第五电桥耦合器将所接收的由所述第一电桥耦合器和所述第二电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第一滤波器滤波、所述第一低噪声放大器放大、所述第三滤波器滤波、所述第二低噪声放大器放大后输入至合成器；所述第六电桥耦合器将所接收的由所述第三电桥耦合器和所述第四电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第二滤波器滤波、所述第三低噪声放大器放大、所述第四滤波器滤波、所述第四低噪声放大器放大后输入至合成器，由所述合成器将所述第二低噪声放大器和所述第四低噪声放大器输入的两路信号合成后经第五低噪声放大器放大后输入到射频信号接受装置。上述方案中，所述上层微带天线的几何中心处设置有上层中心孔，所述下层微带天线的几何中心处设置有下层中心孔，所述天线还设置有馈入探针，该馈入探针依次从所述上层中心孔处穿入所述上层微带天线和从所述下层中心孔处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板的电桥相连接，且所述馈入探针分别与所述上层微带天线和所述下层微带天线通过物理焊接的方式实现电气性能的连接。上述方案中，所述上层微带天线设置有等分以8mm为半径的圆的圆周上排布的四个上层馈点，且四个所述上层馈点的圆的圆心与所述上层中心孔的圆心重合；所述下层微带天线设置有等分以15mm为半径的圆的圆周上排布的四个下层馈点和四个与所述上层馈点相对应的过孔，且四个所述下层馈点的圆的圆心与所述下层中心孔的圆心重合。上述方案中，所述天线还设置有四个第一同轴探针和四个第二同轴探针，所述第一同轴探针从所述上层馈点处穿入所述上层微带天线和从所述过孔处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板电连接，所述第二同轴探针从所述下层馈点处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板电连接；所述馈电网络印刷电路板通过四个所述第一同轴探针给上层微带天线馈电，通过四个所述第二同轴探针给下层微带天线馈电。上述方案中，所述为了更好的保证天线的相位中心和抗多路径效应，除了以上所述的四个单独垂直馈电针馈电到馈电网络外；通过从四个上层馈点分别引出四根同轴探针在空中弯曲后同时穿入微带天线中心孔至底层馈电网络进行接地连接。上述方案中，所述上层微带天线和所述下层微带天线的四边边缘分别设置有距形长城线。上述方案中，所述上层微带天线和所述下层微带天线为有规律多边形微带天线。
上述方案中，所述馈电网络印刷电路板中布有阻抗为50Ω的阻抗线。本发明所述的多星多频微带接收天线，作为可以涵盖GPS L1/L2/L5,GL0NASS Li/ L2、GALILEO L1\E1\E2\E5B\E6和北斗L/B1/B2/B3的多频多星宽频天线，可广泛应用于大地测绘、海洋测量、航道测量、疏竣测量、地震监测、桥梁变形监控、山体滑坡监测、码头集装箱作业等场合。其与现有技术相比具有以下优点1.天线部分采用多馈点设计，通过上下两层所设置的八个完全对称的天线馈点， 实现相位中心与几何中心的重合，将天线对测量误差的影响降低到最小；2.通过设置天线中上微带天线和下微带天线的尺寸，以及采用聚四氟乙烯为介质，从而能确保天线接收频率可以涵盖GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2,GALILEO L1\E1\E2\ E5B\E6和北斗L/B1/B2/B3的多频多星宽频天线。
以下结合附图
和具体实施方式
来进一步说明本发明。图Ia为本发明实施例一的总体结构示意图；图Ib为本发明实施例二的总体结构示意图；图2为本发明实施例的上层微带天线结构示意图；图3为本发明实施例的下层微带天线结构示意图；图4为本发明实施例的馈电网络印刷电路板的电路原理框图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。参见图la、图lb、图2和图3，本发明所述的接收天线，整体的物理结构包括具有上层微带天线11的上层贴片10、具有下层微带天线21的下层贴片20和置于底层的馈电网络印刷电路板30。其中，上层微带天线采用介电常数为2. 62士0.2的聚四氟乙烯为介质的尺寸为长 75mm、宽75mm、厚度为4mm的多边形天线，下层微带天线同样采用介电常数为2. 62士0. 2的聚四氟乙烯为介质的尺寸为长90mm、宽90mm、厚度为4mm的多边形天线。这样可以达到高
精度、高稳定的需求。由于以介电常数为2. 62士0. 2的聚四氟乙烯介质材料才能达到宽频带，从而完全覆盖 GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2、GALILEO L1\E1\E2\E5B\E6 和北斗二代 B1/B2/B3，同时又满足了高精度高稳定定位系统天线的电性能需要，结合一年多的时间里通过我们多方面的研究 GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2,GALILEO L1\E1\E2\E5B\E6 和北斗二代的 B1/B2/ B3多系统多频段的上下层微带天线的介质材料，发现只有采用以上述尺寸(如图2和图3 所标注的尺寸(mm))的以介电常数为2. 62士0.2的聚四氟乙烯上面镀上有规律金属(如镀铜、镀金)的方式才能实现，以及通过工程人员对上下层微带天线巧妙的结合从而实现了高标准的多系统多频段微带天线效果。另外，所述上层微带天线11的几何中心处设置有上层中心孔111，所述下层微带天线21的几何中心处设置有下层中心孔211，所述双频微带天线还设置有馈入探针40，该馈入探针40依次从所述上层中心孔111处穿入所述上层微带天线10和从所述下层中心孔 211处穿入所述下层微带天线20后与所述馈电网络印刷电路板30的电桥连接，且所述馈入探针40分别与所述上层微带天线11和所述下层微带天线21电连接。参见图la，上层微带天线10包括上层介质板12，其一面附上金属薄层作为上层接地板13，另一面贴上层贴片11。下层微带天线20包括下层介质板22，其一面附上金属薄层作为下层接地板23，另一面贴下层贴片21。上层介质板12、上层接地板13、下层介质板22 和下层接地板23分别设置有相应的过孔，供馈入探针40穿设。需要指出的是，上层微带天线11可以接收来自GPS的Ll频段、GLONASS Ll频段和北斗二代Bl频段、北斗一代L频段以及GALILE0E1/E2/L1频段的信号，下层微带天线21接收来自GPS的L2/L5频段、GLONASS 的L2频段、GALILEO E5B/E6、北斗二代B2、B3的信号。对于整个天线通过馈入探针40将上层微带天线11的几何中心和下层微带天线21 的几何中心固定在一起，并通过馈入探针40将上层微带天线11和下层微带天线21与馈电网络印刷电路板30连接。可以在每层贴片的几何中心与该层的电气相位中心重合的同时， 使上层微带天线11和下层微带天线21的电气相位中心重合。所以，本发明的多星多频微带接收天线可以避免天线相位中心的移动，稳定多频微带天线接收的两个频段信号的相位中心，从而可以降低多频微带天线的信号误差，提高多频微带天线信号接收的精度。当然，上层微带天线11设置有等分以8mm为半径的圆的圆周上排布的上层馈点 112，且四个所述上层馈点112的几何中心与所述上层中心孔111重合；所述下层微带天线 21设置有等分以15mm为半径的圆的圆周上排布的下层馈点212和四个与所述上层馈点 112相对应的过孔221，且四个所述下层馈点212的几何中心与所述下层中心孔211重合， 上下微带天线采用这种半径分布的馈点能够保证接收信号的相位中心不发生偏差。所述多频微带天线还设置有四个第一同轴探针113和四个第二同轴探针213，所述第一同轴探针 113从所述上层馈点112处穿入所述上层微带天线10和从所述过孔221处穿入所述下层微带天线20后与所述馈电网络印刷电路板30电连接，所述第二同轴探针213从所述下层馈点212处穿入所述下层微带天线20后与所述馈电网络印刷电路板30电连接；所述馈电网络印刷电路板30通过四个所述第一同轴探针113给上层微带天线11馈电，通过四个所述第二同轴探针213给下层微带天线21馈电。参见图lb，为了更好的保证天线的相位中心和抗多路径效应，除了以上所述的四个单独垂直馈电针馈电到馈电网络外；通过从四个上层馈点分别引出四根同轴探针114在空中弯曲后同时穿入微带天线中心孔至底层馈电网络进行接地连接。如图2和图3所示，上层馈点112分别为上层馈点a、上层馈点b、上层馈点C、上层馈点d ；下层馈点212分别为下层馈点e、下层馈点f、下层馈点g、下层馈点h。本发明所述的天线采用每层四个馈电点，八个同轴探针分别对上层微带天线11 和下层微带天线21馈电。由于多频微带天线所要接收的卫星信号为右旋圆极化电波，因此可以通过电磁仿真技术确定八个馈点的位置，从而使每相邻两个上层馈点112接收的信号相差90度，每相邻两个下层馈点212接收的信号相差90度，使得各个馈点散射参数Sll <-20dB，轴比AR<3dB角度范围在120°左右。调节馈点位置可使天线的输入阻抗为 50 Ω，从而省略低噪声放大器与微带天线之间的匹配电路。因此，对每层贴片进行四个均勻馈电，且使每相邻馈点信号相位差为90度，可以使微带天线更容易实现辐射方向图的对称，使轴比比现有技术采用单点馈电或两点馈电的轴比要好，可以很容易在更广的角度接收卫星的圆极化电波。本发明天线的每层微带天线的四个均勻馈电，与现有技术的一般采用单个或两个馈点相比，可以使双频微带天线的相位中心更加稳定，使其不会随卫星或双频微带天线的移动而发生大尺寸的偏差，从而可以进一步提高双频微带天线的测量精度。馈入探针40和第一同轴探针113之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使得上层微带天线10在低于谐振频率位置达到上层微带天线10的阻抗匹配，从而增加了上层微带天线10的频率带宽，从而确保上层微带天线10的频率带宽可覆盖Ll频段的频率带宽，从而可以遏制多路效应对本发明双频微带天线的影响，进而提高上层微带天线10的接收信号的可靠性和精度。同理，馈入探针40和第二同轴探针213之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使得下层微带天线20在低于谐振频率位置达到下层微带天线20的阻抗匹配，从而增加了下层微带天线20的频率带宽，从而确保下层微带天线20的频率带宽可覆盖L2频段的频率带宽，从而可以遏制多路效应对本发明天线的影响，进而提高下层微带天线20的接收信号的可靠性和精度。另外，上层介质板12、上层接地板13、下层介质板22和下层接地板23分别设置有相应的过孔，供第一同轴探针113穿设。下层介质板22和下层接地板23分别设置有相应的过孔供第二同轴探针213穿设。参见图2和图3，通常上层微带天线11和所述下层微带天线21为正方形贴片。正方形贴片可更容易实现贴片均勻对称设计，并且正方形更容易加工制造。当然也可以采用现有技术的其他对称结构，如图3所示的类圆形等等。参见图3，下层微带天线21的四角具有切角24。四角对称切角24，可以保证下层微带天线21结构的对称性。对上层微带天线11四角切角M，有利于双频微带天线的装配。 并且切角M可以起到简并模分离的作用。即使得正方形微带天线增加了一个简并模分离单元，使简并模的谐振频率产生分离，工作频率位于两个谐振频率之间。当简并模分离单元选择合适时，对工作频率而言，一个模的等效阻抗相角超前，而另一个模的等效阻抗相角滞后，当他们之间的相差90度时，便形成了圆极化。当然，切角M为等腰直角三角形。等腰直角三角形更容易实现下层微带天线21的对称结构，且有利于制造和加工。参见图2和图3，所述上层微带天线11和所述下层微带天线21的四边边缘分别设置有长城线15和长城线25。具体地，长城线15和长城线25可以为矩形凸缘，当然长城线15和长城线25还可以采用现有技术的其它形状，长城线15和长城线25的数目可以根据实际情况确定。参见图2和图3中的标号34为上层微带天线、下层微带天线和硬板PCB的固定的螺钉孔。由于微带天线的接收信号是通过贴片的边缘和接地板之间的耦合实现的，因此， 在所述上层微带天线11和所述下层微带天线21的四边边缘分别设置长城线15和长城线 25，可以增加贴片边缘的路径，使得流过上层微带天线11和下层微带天线21的电流曲径加长，从而可以在满足接收卫星信号的条件下缩减双频微带天线的尺寸，并且可以更好地调节天线的阻抗使得双频微带天线的更易匹配接收卫星信号。参见图4，馈电网络印刷电路板30包括第一电桥耦合器、第二电桥耦合器、第三电桥耦合器、第四电桥耦合器、第五电桥耦合器、第六电桥耦合器(上述6个电桥耦合器可以为3dB电桥)，以及第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第一低噪声放大器、 第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五噪声放大器和合成器；其中两个相邻所述上层馈点a和上层馈点b的信号经所述第一电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；另两个相邻所述上层馈点c和上层馈点d的信号经所述第二电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；其中两个相邻所述下层馈点e和下层馈点f的信号经所述第三电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器；另两个相邻所述下层馈点g和下层馈点h的信号经所述第二电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器。这样通过上述电路，分别将四个上层馈点信号和四个下层馈点信号耦合成一路信号输出。所述第五电桥耦合器将所接收的由所述第一电桥耦合器和所述第二电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第一滤波器滤波、所述第一低噪声放大器放大、所述第三滤波器滤波、所述第二低噪声放大器放大后输入至合成器；所述第六电桥耦合器将所接收的由所述第三电桥耦合器和所述第四电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第二滤波器滤波、所述第三低噪声放大器放大、所述第四滤波器滤波、所述第四低噪声放大器放大后输入至合成器，由所述合成器将所述第二低噪声放大器和所述第四低噪声放大器输入的两路信号合成后经第五低噪声放大器放大后输入到射频信号接受装置。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.基于多频段多系统的宽频带卫星定位微带接收天线，包括上层微带天线、下层微带天线和置于底层的馈电网络印刷电路板；其特征在于，所述上层微带天线采用长75mm、宽75mm、厚度为4mm的，以介电常数为2. 62 士0. 2的聚四氟乙烯为介质的多边形天线，所述下层微带天线采用长90mm、宽90mm、厚度为4mm的，以介电常数为2. 62士0. 2的聚四氟乙烯为介质的多边形天线，所述上层微带天线和下层微带天线通过多跟馈针的方式与馈电网络印刷电路板连接；所述述印刷电路板上的馈电网络包括第一电桥耦合器、第二电桥耦合器、第三电桥耦合器、第四电桥耦合器、第五电桥耦合器、第六电桥耦合器、第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器、第四滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、第五噪声放大器和合成器；其中两个相邻所述上层微带天线的馈点的信号经所述第一电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；另两个相邻所述上层微带天线的馈点的信号经所述第二电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第五电桥耦合器；其中两个相邻所述下层微带天线的馈点的信号经所述第三电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器；另两个相邻所述下层微带天线的馈点的信号经所述第四电桥耦合器耦合成一路信号后输入至第六电桥耦合器；所述第五电桥耦合器将所接收的由所述第一电桥耦合器和所述第二电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第一滤波器滤波、所述第一低噪声放大器放大、所述第三滤波器滤波、所述第二低噪声放大器放大后输入至合成器；所述第六电桥耦合器将所接收的由所述第三电桥耦合器和所述第四电桥耦合器输入的两路信号耦合成一路信号，该信号依次经所述第二滤波器滤波、所述第三低噪声放大器放大、所述第四滤波器滤波、所述第四低噪声放大器放大后输入至合成器，由所述合成器将所述第二低噪声放大器和所述第四低噪声放大器输入的两路信号合成后经第五低噪声放大器放大后输入到射频信号接受装置。
2.根据权利要求1的接收天线，其特征在于，所述上层微带天线的几何中心处设置有上层中心孔，所述下层微带天线的几何中心处设置有下层中心孔，所述双频微带天线还设置有馈入探针，该馈入探针依次从所述上层中心孔处穿入所述上层微带天线和从所述下层中心孔处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板的电桥相连接，且所述馈入探针分别与所述上层微带天线和所述下层微带天线通过物理焊接的方式实现电气性能的连接。
3.根据权利要求2的接收天线，其特征在于，所述上层微带天线设置有等分以8mm为半径的圆的圆周上排布的四个上层馈点，且四个所述上层馈点的圆的圆心与所述上层中心孔的圆心重合；所述下层微带天线设置有等分以15mm为半径的圆的圆周上排布的四个下层馈点和四个与所述上层馈点相对应的过孔，且四个所述下层馈点的圆的圆心与所述下层中心孔的圆心重合。
4.根据权利要求3的接收天线，其特征在于，所述天线还设置有四个第一同轴探针和四个第二同轴探针，所述第一同轴探针从所述上层馈点处穿入所述上层微带天线和从所述过孔处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板电连接，所述第二同轴探针从所述下层馈点处穿入所述下层微带天线后与所述馈电网络印刷电路板电连接；所述馈电网络印刷电路板通过四个所述第一同轴探针给上层微带天线馈电，通过四个所述第二同轴探针给下层微带天线馈电。
5.根据权利要求3的接收天线，其特征在于，所述上层微带天线和所述下层微带天线的四边边缘分别设置有距形长城线。
6.根据权利要求4的接收天线，其特征在于，所述上层微带天线和所述下层微带天线为有规律多边形微带天线。
7.根据权利要求5的接收天线，其特征在于，所述四个上层馈点分别引出四根同轴探针在空中弯曲后同时穿入微带天线中心孔至底层馈电网络进行接地连接。
8.根据权利要求4的接收天线，其特征在于，所述馈电网络印刷电路板中布有阻抗为 50 Ω的阻抗线。
全文摘要
本发明公开了一种采用聚四氟乙烯为介质的多频段多系统卫星定位宽频带接收天线，包括具有上层电极片的上层微带天线、具有下层点极片的下层微带天线和置于底层的馈电网络印刷电路板；其特征在于，所述馈电网络印刷电路板包括第一电桥耦合器、第二电桥耦合器、第三电桥耦合器、第四电桥耦合器、第五电桥耦合器、第六电桥耦合器、第一滤波器、第二滤波器、第一低噪声放大器、第二低噪声放大器、第三低噪声放大器、第四低噪声放大器、合成器和第五噪声放大器。本发明所述的三星多频微带接收天线，作为可以涵盖GPSL1/L2/L5、GLONASS L1/L2、北斗L/B1/B2/B3、GALILEO L1\E1\E2\E5\E6的多星多频宽带天线。
文档编号H01Q1/36GK102496783SQ20111039326
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年6月21日
发明者丁延锐, 吉青, 周峰, 施冬华, 朱亚宁, 殷年吉, 王运清 申请人:上海海积信息科技有限公司