一种宽轴比波束宽度的宽带GNSS天线的制作方法

本发明涉及天线领域，尤其是指一种宽轴比波束宽度的宽带GNSS天线。

背景技术：

GNSS是指全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)，GNSS天线是接收卫星信号的终端天线。鉴于卫星导航系统对国计民生的重要影响，GNSS作为高科技竞争的高地，各国都非常重视其研究。由于GNSS信号是圆极化信号，因此GNSS天线需要特殊设计，并且由于其各种复杂的应用环境，受周围环境干扰较大，各项性能以及指标要求比终端设备的要求更为苛刻。

随着中国北斗导航系统的加入，卫星导航产业得到不断发展。各大国先后投入巨资研发导航系统，这更加促进了卫星导航产业的发展。为能够发射和接收任意极化方向的电磁波，GNSS天线采用圆极化方式。常用的卫星通讯频段有GPS：L1：1575MHz，L2：1227MHz，L5:1176MHz；北斗二代：B1:1561MHz；B2:1207MHz；B3:1268MHz；GLONASS：1612MHz。综合常用卫星通信频段，若设计一款天线能覆盖当前所有GNSS信号，则带宽至少需要覆盖1160MHz-1615MHz。GNSS天线主要采用右旋圆极化方式，由此带来微弱卫星天线信号容易受到多径衰落和干扰的问题。此外，卫星天线信号较弱，GNSS接收天线需要较高且较平稳的增益；圆极化天线还面临着较大频率范围内相位不稳定的问题，另外天线需要在比较宽的角度内接收信号，这样才能实现更精确定位。因此要设计一款宽频带、宽轴比波束、高增益且平稳的GNSS天线是一个难点。

关于GNSS天线的理论和产业研究已经比较深入。实现宽带圆极化的方式多样，结构也有很大差异；实现低轴比、高增益的方法主要是结构高度对称，有效辐射单元面积尽量大。多谐振是多个辐射单元产生的多个谐振点组合，或者引入寄生单元来产生宽带特性。多模实现主要借助微带天线多模特性，通过各种枝节加载来分解高次模，使主模和高次模在特定频段上近似正交简并模，以此实现圆极化。

轴比是衡量天线圆极化特性的重要指标，其定义为极化椭圆的长轴和短轴的比值，它代表圆极化的纯度。对于线极化波，轴比等于无穷大；对于圆极化波，轴比等于1。当收发天线为同旋向的圆极化天线时，来波功率均被接收，无极化损失；当收发天线为反旋向圆极化天线时，天线接收不到来波功率，极化损失最大；当收发双方发射为圆极化，接收为线极化时，天线只接收到来波功率的一半。常见的圆极化天线有圆极化微带天线、轴向模螺旋天线以及平面对数螺旋天线等。

2012年Chuan Wu等人发表题为Broad beamwidth circular polarisation antenna:Microstrip-monopole antenna的论文。文中提到一种引入单极子的微带天线，四个单极子垂直放置在微带天线贴片四周，贴片辐射出电磁场的同时耦合到单极子上，引起单极子的辐射，二者辐射相互叠加，波束展宽。

C.Sun在2014年发表了题为"A Compact Frequency-Reconfigurable Patch Antenna for Beidou(COMPASS)Navigation System的论文，文中天线的辐射体是一个切槽的圆，槽缝用接地短路线连接，旋转圆盘能够改变接地短路线的长度，从而调整匹配电路，调节谐振点，实现圆极化天线的可调。两个馈电输出端口分别连接互相垂直的贴片并通过耦合作用激励上层的切槽圆盘，实现圆极化天线的辐射。该天线的尺寸是30mm*30mm*12mm,能够覆盖的频段是：BDNS的E5b(1192–1215MHz)、E6(1260–1279MHz)以及E2(1559–1591MHz)。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种宽轴比波束宽度的宽带GNSS天线，该GNSS天线具有宽轴比波束宽度、宽带、低轴比、增益平稳等特点，该GNSS天线适合用于精确导航的终端设备上。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种宽轴比波束宽度的宽带GNSS天线，包括切角扇形辐射单元、微带线功分移相网络、三角形连接单元、过孔、馈电过孔、圆形介质基板、圆盘形地板、同轴导体、馈电同轴内导体、金属圆筒；所述切角扇形辐射单元有多个，该多个切角扇形辐射单元以圆形介质基板的圆心为中心，采用环形阵列的方式分布在圆形介质基板的正面上方，用于产生圆极化辐射，且每个切角扇形辐射单元与圆形介质基板同圆心；所述微带线功分移相网络设置在圆形介质基板的背面，由花朵型微带线、直线型微带线、威尔金森功分器、隔离电阻、阻抗变换微带线、匹配网络调节枝节构成；所述切角扇形辐射单元通过三角形连接单元与微带线功分移相网络连接，产生圆极化，其中所述三角形连接单元垂直于圆形介质基板，通过三角形连接单元实现切角扇形辐射单元与微带线功分移相网络端口的阻抗匹配；所述圆盘形地板设置在圆形介质基板的正面，起反射作用，用于隔离微带线功分移相网络与切角扇形辐射单元以提高天线增益；所述圆盘形地板的边缘围有金属圆筒，所述金属圆筒与圆盘形地板相连，并与切角扇形辐射单元等高，用于拓宽轴比波束宽度和降低轴比；所述过孔和馈电过孔贯穿圆盘形地板和圆形介质基板，所述同轴导体穿过过孔将三角形连接单元与微带线功分移相网络相连，所述馈电同轴内导体穿过馈电过孔给天线馈电。

所述切角扇形辐射单元的外边缘与金属圆筒靠近，增大辐射面积的同时提高阻抗匹配。

所述过孔与馈电过孔的半径相同，且比同轴导体和馈电同轴内导体的半径大。

所述圆盘形地板的半径与圆形介质基板相同。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与已有的GNSS天线相比，本发明采用电流沿外边缘分布的切角扇形，能够实现较好的圆极化特性，本发明的切角扇形辐射单元结构辐射面积大、规则简单且新颖、中心对称分布；所述切角扇形与微带线功分移相网络结合后，天线整体具有较低的轴比，同时具备较宽的轴比波束宽度。

2、与已有的GNSS天线相比，本发明天线具有更宽的轴比波束宽度、更新颖的结构、更宽的轴比频率带宽、较高且平稳的增益，相比于已有GNSS天线，具有更好的性能。

附图说明

图1为本发明宽带GNSS天线的俯视示意图。

图2为图1的A-A横截面示意图。

图3为本发明宽带GNSS天线的圆盘形地板示意图。

图4为本发明宽带GNSS天线的微带线功分移相网络示意图。

图5为本发明宽带GNSS天线的立体图。

图6为本发明宽带GNSS天线的S11仿真示意图。

图7为本发明宽带GNSS天线的轴比仿真示意图。

图8为本发明宽带GNSS天线的增益仿真示意图。

图9为本发明宽带GNSS天线1.575GHz轴比波束宽度示意图。

图10为本发明宽带GNSS天线1.175GHz轴比波束宽度示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图5所示，本实施例所述的宽轴比波束宽度的宽带GNSS天线，包括四个切角扇形辐射单元1、圆形介质基板2、四个过孔3、馈电过孔4、馈电同轴内导体5、四个同轴导体6、圆盘形地板7、微带线功分移相网络、四个三角形连接单元14和金属圆筒15。所述四个切角扇形辐射单元1以圆形介质基板2的圆心为中心，采用环形阵列的方式分布在圆形介质基板2的正面上方，高度为40mm，用于产生圆极化辐射，且每个切角扇形辐射单元1与圆形介质基板2同圆心，所述圆形介质基板2的材料是FR_4、介电常数为4.4、厚度为1mm、半径为80mm。所述微带线功分移相网络设置在圆形介质基板2的背面，由花朵型微带线8、直线型微带线9、威尔金森功分器10、隔离电阻11、阻抗变换微带线12、匹配网络调节枝节13构成，实现功率一分四、相位差分别为0°、90°、180°、270°。所述切角扇形辐射单元1通过三角形连接单元14与微带线功分移相网络连接，产生圆极化，其中所述三角形连接单元14垂直于圆形介质基板2，通过三角形连接单元14实现切角扇形辐射单元1与微带线功分移相网络端口的阻抗匹配；所述圆盘形地板7设置在圆形介质基板2的正面，其半径与圆形介质基板2相同，起反射作用，用于隔离微带线功分移相网络与切角扇形辐射单元1以提高天线增益。所述圆盘形地板7的边缘围有金属圆筒15，所述金属圆筒15与圆盘形地板7相连，并与切角扇形辐射单元1等高，用于拓宽轴比波束宽度和降低轴比。所述过孔3和馈电过孔4贯穿圆盘形地板7和圆形介质基板2，所述同轴导体6穿过过孔3将三角形连接单元14与微带线功分移相网络相连，所述馈电同轴内导体5穿过馈电过孔4给天线馈电。过孔3与馈电过孔4的半径相同，且比同轴导体6和馈电同轴内导体5的半径大。

本实施例中的三角形连接单元14连接切角扇形辐射单元1和同轴导体6，再加上金属圆筒15，能够抑制表面波，隔离切角扇形辐射单元1和微带线功分移相网络，同时起到降低轴比、提高轴比波束宽度、稳定增益的作用。

图6是本实施例上述宽带GNSS天线的S11仿真结果，从图中可以看出，该实施例的-10dB带宽覆盖1.09GHz-1.8GHz，其相对阻抗带宽超过50％，完全覆盖当前GNSS通信频段，且在1.575GHz有超过20dB的回波损耗。

图7是本实施例上述宽带GNSS天线的轴比特性曲线，从图中可以看出，在该阻抗带宽内实施例的轴比不超过1.5dB，具有极好的宽带高度圆极化特性。

图8是本实施例上述宽带GNSS天线的左旋圆极化和右旋圆极化的增益仿真结果，从图中可以看出，右旋圆极化在阻抗带宽频段内的增益均高于5dB且保持稳定，而左旋圆极化的在该阻抗带宽内的增益均小于-16dB。

图9是1.575GHz的轴比波束宽度，从图中可以看出此频率下的3-dB轴比波束宽度超过180°。

图10是1.175GHz的轴比波束宽度，从图中可以看出此频率下的3-dB轴比波束宽度超过160°。

综合图9和图10的结果来看，本发明天线在宽带内实现了宽轴比波束宽度的同时，天线的其他性能也十分突出，具有更宽的轴比频率带宽、较高且平稳的增益，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。