一种用于卫星导航测量型天线的扼流圈的制作方法

本实用新型涉及天线领域，特别地，涉及一种应用于卫星导航测量型天线的小型化扼流圈。

背景技术：

高精度测量天线是高精度卫星导航应用终端的传感装置，其性能直接决定着系统定位精度。衡量高精度测量天线性能的一个关键指标是天线的抗多径能力，反映在天线设计上即背向辐射抑制能力。目前，应用最为广泛，技术最为成熟可靠的天线背向辐射抑制装置是扼流圈。

扼流圈是围绕在天线外围的一系列(通常约为4～5圈)接地金属同心圆环，与接地面一起形成一系列(比圆环少一个)圈槽结构，圈槽的高度和宽度均由工作频率决定，一般，圈槽的高度约为1/4个波长，宽度约为1/20～1/10个波长。这种天线周边的圈槽结构能够抑制天线的表面波传播，从而实现天线背向辐射的抑制，故称其为扼流圈。

传统的平面扼流圈和三维扼流圈虽然性能优越，但缺点是尺寸比较庞大，整体金属铸造导致重量过大，安装不便。对于北斗三号全球系统而言，还有大量的境外监测站建造任务，过大的天线会加重运输及安装的负担。另一方面，对商用天线而言，小型化天线由于其轻便，灵活和低成本的特点也一直受到更多的青睐。

目前已经出现的一些小型化高精度天线技术还存在各种各样的缺陷。如：风火轮天线在某些频点的辐射效率低，增益不够；抑制表面波贴片天线的水平方向增益落差过大会导致天线的水平增益过低，卫星观测弧段过短，并且这种天线频带很窄，并不适合多星座观测需求的应用场合。总体而言，这些小型化的高精度天线还难以满足大地级的监测站应用，目前唯一宣称能够达到大地级高精度应用标准的轻质型天线是天宝公司的Zephyr Geodetic，该天线利用隐身飞机表面阻抗涂层消除贴片天线的表面波，达到抑制背向辐射的目的，该天线的剖面大为降低，但是为了实现超过30dB的前后比，天线的直径超过 300mm。

由此可见，限制扼流圈天线应用范围的最大制约因素是其体积和重量。通常情况下，普通扼流圈的直径大于300mm，整体由金属铸造，重量为5～8千克。由于不方便携带，扼流圈天线通常应用在地面监测站，参考站等无需频繁移动或者完全固定的场合。而一些移动的高精度测量应用，如野外地质测量等，往往只能采用抗多径性能相对弱化的非扼流圈高精度天线。目前尚未检索到能够方便携带，适用于野外测量场合的小型化扼流圈高精度天线。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型目的在于提供一种用于卫星导航测量型天线的扼流圈，其是一种小型化的扼流圈，其体积小、重量轻，但是能够提供不亚于传统扼流圈的抗多径能力，从而拓展扼流圈天线的应用范围，同时降低扼流圈高精度天线的成本。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种用于卫星导航测量型天线的扼流圈，包括竖直设置的圆柱形中芯，在中芯上由下至上等间距设置有多个圆形的扼流圈，各扼流圈均与中芯同轴设置，上下相邻的扼流圈之间形成扼流圈槽，扼流圈槽的宽度即为上下相邻扼流圈之间的间距，位于中芯顶部的扼流圈上竖直设置有一金属圆环，金属圆环的直径即位于中芯顶部的扼流圈的直径，金属圆环与中芯同轴设置，所述金属圆环的上端外缘为一圈具有连续的锯齿的锯齿形外缘，位于中芯顶部的扼流圈与金属圆环所围成的带锯齿外缘的腔体即为反射腔体。本实用新型的扼流圈结构区别于传统扼流圈的地方是多个扼流圈上下设置，相邻扼流圈之间形成的扼流圈槽呈上下叠放，而无需向外围拓展，这样就大大减小了扼流圈整体直径。为了在减小扼流圈整体直径的同时，提高本实用新型这种竖直扼流圈对天线背向辐射抑制的效果，本实用新型在竖直扼流圈的基础上结合了位于竖直扼流圈顶部的带锯齿外缘的反射腔体共同完成天线的背向辐射抑制。

将天线辐射元放置于带锯齿外缘的反射腔体内，其表面波传播至反射腔体其上端外缘(即金属圆环的上端外缘)，如果反射腔体其上端外缘是平整的，在上端外缘就可以形成稳定的环形感应电流，并激发稳定的极化辐射。而本实用新型金属圆环的上端外缘为锯齿形外缘，锯齿形外缘能够改变边缘的电流分布，对有锯齿的口面，电流密度可以分解为延圆环切向的分量和垂直于切向的分量，由于垂直向上和垂直向下的电流密度几乎一样多，锯齿口面可以形成辐射的有效电流小于无锯齿的口面有效电流，故其背向散射较小。这就是锯齿形结构一致背向散射的机理。带锯齿外缘的反射腔体其锯齿外缘能够破坏这种稳定环形感应电流的形成，减弱极化辐射的激发，从而抑制天线背向辐射。

进一步地，上下相邻扼流圈之间的间距相等。

进一步地，所有扼流圈以及金属圆环均采用相同厚度的金属制成。

进一步地，整个扼流圈为一体成型的整体结构，采用铸造或者开模浇铸的方式成型。

进一步地，多个形状规则或者不规则的锯齿首尾相接围合形成了金属圆环的上端外缘。进一步地，本实用新型优选采用规则形状的锯齿，所述金属圆环的上端外缘上的锯齿形状、尺寸均相同，锯齿可以为方形锯齿、梯形锯齿、三角形锯齿或者正弦锯齿。金属圆环的上端外缘上呈圆周分布有一圈连续当然，也可以将金属圆环的上端外缘设计为一圈连续的、均匀或不均匀分布的、不规则形状的锯齿形外缘，不过虽然一些复杂的不规则锯齿形状有可能得到的很好的背向辐射抑制，但是对于天线的研究不仅应考虑理论上的最优效果，还应考虑工程上的可实现性。

对于本实用新型提供的用于卫星导航测量型天线的扼流圈，对比具有方形锯齿、梯形锯齿、三角形锯齿以及正弦锯齿的用于卫星导航测量型天线的扼流圈，不同形状锯齿对频点前后比改善效果不同。在 L2频段，正弦锯齿提升效果最好，三角形锯齿次之，在L1频段，三角形锯齿效果最好，正弦锯齿其次。总体而言，三角形锯齿和正弦锯齿的改善效果优于其他形状。不同形状锯齿对低仰角增益提升效果不同，在整个L频段，按照低仰角增益提升量排序依次为方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿和正弦锯齿。但是无论是加载何种形状的锯齿结构天线仰角10°最小增益均大于-5dB。

进一步地，锯齿深度对天线性能存在影响，所述金属圆环的最大竖直高度即为反射腔体高度，锯齿深度与反射腔体高度的高度比值在 0.6～0.8之间。整个L频段内，当深度比值小于0.8时，前后比随锯齿深度增加；L2频段内，仰角10°轴比在锯齿深度与反射腔体高度的高度比值为0.6时最佳。

进一步地，反射腔体高度对天线性能也存在影响，综合考虑各方面性能，反射腔体高度的优选范围是51mm～57mm。

进一步地，锯齿的个数对天线性能也存在影响，综合考虑各方面性能，金属圆环的上端外缘上分布有8～12个连续且均匀的方形锯齿、梯形锯齿、三角形锯齿或者正弦锯齿。

相对于现有技术，本实用新型产生了以下有益技术效果：

本实用新型通过竖直扼流圈结合带锯齿外缘的反射腔体，能够使天线的抗多径能力达到甚至超过传统扼流圈天线的水平，而其体积约为后者的1/3～1/5。

附图说明

图1给出了本实用新型的一具体实施例的整体结构剖视图；

图中标号：1、中芯；2、扼流圈；3、扼流圈槽；4、金属圆环； 5、锯齿；6、反射腔体。

图2是在表1所提供的设计参数下经仿真得到的天线各项性能的频率曲线图；其中图2(a)是天线的前后比曲线图；图2(b)是天线的仰角10°最小增益曲线图；图2(c)是天线的仰角10°最大轴比曲线图；图2(d)是天线的相位中心稳定度曲线图。

图3是几种带不同形状锯齿外缘的反射腔体，其中图3(a)至图3(d)分别示出了带方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿和正弦锯齿外缘的反射腔体。

图4是不同形状锯齿下前后比的及仰角10°增益随频率变化的曲线图；其中各标记及其意义为：null：无锯齿，square：方形锯齿，trapezia：梯形锯齿，triangle：三角形锯齿，sinusoid：正弦锯齿。

图5是不同锯齿深度情况下天线关键性能仿真结果图；

图6是不同反射腔体高度情况下天线关键性能仿真结果图；

图7是不同锯齿个数情况下天线关键性能仿真结果图；

图8是不同扼流圈槽深情况下天线关键性能仿真结果图；

图9是不同扼流圈槽宽情况下天线关键性能仿真结果图；

图10是不同扼流圈槽个数情况下天线关键性能仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例图中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本实用新型的实施方式不仅限于此。

图1给出了本实用新型的一具体实施例的整体结构剖视图。如图1所示，一种用于卫星导航测量型天线的扼流圈，包括竖直设置的圆柱形中芯1，在中芯1上由下至上等间距设置有多个圆形的扼流圈2，各扼流圈2均与中芯1同轴设置，上下相邻且彼此间等间距设置的扼流圈2之间形成扼流圈槽3，扼流圈槽3的宽度即为上下相邻扼流圈 2之间的间距，位于中芯1顶部的扼流圈2上竖直设置有一金属圆环 4，金属圆环4的直径即位于中芯顶部的扼流圈2的直径，金属圆环 4与中芯1同轴设置，所述金属圆环4的上端外缘为一圈具有连续的相同尺寸的三角形锯齿5的锯齿形外缘，位于中芯顶部的扼流圈2与金属圆环4所围成的带锯齿外缘的腔体即为反射腔体6。本实用新型整个扼流圈为一体成型的整体结构，采用铸造或者开模浇铸的方式成型。其中：所有扼流圈2以及金属圆环4的均采用相同厚度的金属制成。如图3所示，所述锯齿形外缘上的锯齿形状可以是方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿或者正弦锯齿。

本实用新型中，参照图1，定义本实用新型所提供的用于卫星导航测量型天线的扼流圈的设计参数如下：

(1)反射腔体高度，H1；

(2)锯齿深度与反射腔体高度(金属圆环的最大竖直高度即为反射腔体高度)的比值，k；

(3)锯齿个数为N；

(4)扼流圈槽的深度为H2；

(5)扼流圈槽的宽度为w；

(6)扼流圈槽的个数为M；

(7)扼流圈整体直径为D；

(8)扼流圈整体高度为H；

(9)扼流圈以及金属圆环的金属壁厚度为d。

上述参数中，(1)至(6)项参数均会对天线不同频段的性能产生显著的影响，需要进行优化。按照高精度天线小型化的需求，在满足性能要求的前提下，扼流圈的整体直径和高度应尽量小。金属结构的厚度对性能影响较小，根据加工精度和结构强度，设定腔体及扼流圈金属壁的厚度为2mm。

图1给出了本实用新型的一具体实施例的整体结构剖视图，对于图1中提供的具体实施例，根据表1设置了本实施例扼流圈仿真的初始参数。利用CST对天线进行仿真，仿真提取的性能指标包括北斗及 GPS各频点的前后比，仰角10°最小增益，仰角10°最大轴比以及相位中心稳定度(对仰角10°以上相位数据进行拟合，本文无特殊说明情况下，相位中心拟合均采用此标准)。

表1本实施例扼流圈的设计参数

图2示出了在表1所提供的设计参数下经仿真得到的天线各项性能的频率曲线。天线的仰角10°最小增益在-3dB左右，最大轴比约为3dB，相位中心均小于1mm，前后比均在30dB之间，可见在表1 提供的设计参数下天线的仿真结果已经非常理想。

下面以天线的前后比和低仰角增益为评价指标，说明不同形状锯齿对天线性能的影响。下面对几种常见的锯齿几何形状进行分析，分别为方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿和正弦锯齿结构。图3(a)至图3(d)分别示出了带方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿和正弦锯齿外缘的反射腔体。

对于本实用新型提供的扼流圈，所述反射腔体上所设锯齿的形状会对天线性能存在影响。反射腔体不同形状的锯齿边缘会导致的电流分布也存在较大的不同，理论上来讲，具有规则边界的电磁场问题可以采用解析法求解，但是电磁场问题的复杂性会使问题变得浩繁而低效，相对于最终取得的效果来说很可能并不经济。本实用新型直接利用计算机电磁仿真软件对不同形状的锯齿反射腔体进行仿真。评价指标为对于有相同的锯齿深度及锯齿个数的腔体，在不显著降低低仰角增益的情况下，天线的前后比达到最大。

利用CST进行仿真，将辐射源置于反射腔体内，反射腔体加载的四种锯齿结构如图3所示。反射腔体的直径为150mm，反射腔体高度为54mm。对于不同形状的锯齿，仿真时均规定反射腔体上的锯齿个数为12个，锯齿的深度为反射腔体高度的一半。得到各频点前后比及仰角10°最小增益如图4所示。

由图4可以得到如下结论：

第一，加载均匀结构的锯齿后，天线辐射的前后比和低仰角增益均得到提升，验证了锯齿结构对天线背向辐射的抑制，同时发现锯齿结构还可以起到提升低仰角增益的作用；

第二，不同形状锯齿对前后比改善效果不同。在L2频段，正弦锯齿提升效果最好，三角形锯齿次之，在L1频段，三角形锯齿效果最好，正弦锯齿其次。总体而言，三角形锯齿和正弦锯齿的改善效果优于其他形状。

第三，不同形状锯齿对低仰角增益提升效果不同，在整个L频段，按照低仰角增益提升量排序依次为方形锯齿，梯形锯齿，三角形锯齿和正弦锯齿。加载锯齿结构天线仰角10°最小增益均大于-5dB。

三角形锯齿和正弦锯齿结构最大程度改善了前后比性能，方形锯齿对低仰角增益提升最大，但是由于所有锯齿结构下仰角10°增益均大于-4dB，而不同锯齿之间的增益差异值小于1dB，所以可以认为三角形锯齿和正弦锯齿为天线提供了最佳的性能改善。

三角形锯齿在L1谱段和L2谱段对前后比的改善约为10dB和6dB，而正弦锯齿的改善分别约为8dB和7dB，可见两种锯齿对天线性能的影响差别不大。对于天线实现来说，三角形锯齿结构相对正弦结构有一个很大的优势就是加工难度更小，利于加工精度控制。

对于如1所示实施例，其锯齿深度对天线性能存在影响。图5是不同锯齿深度情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中，锯齿深度与反射腔体高度的比值分别设为0，0.2，0.4，0.6，0.8和1。可以总结锯齿深度对天线性能的影响如下：

(1)整个L频段内，当深度比值小于0.8时，前后比随锯齿深度增加，深度比值为1时，前后比相比0.8时有明显的降低；

(2)L2频段内，仰角10°轴比随锯齿深度增加先改善，后恶化，锯齿深度与腔体高度之比为0.6时最佳，L1频段内轴比随锯齿深度增加一直恶化，锯齿深度与反射腔体高度之比为1时仰角10°轴比将略微超过3dB；

(3)整体而言，锯齿深度越大仰角10°增益越高，但是变化小于 1dB；

(4)整体而言，锯齿深度越大相位中心稳定度越差，但最差情况的相位中心仍然在1mm以内。

综合各方面性能，锯齿深度相对反射腔体高度的比值在0.6～0.8 之间比较合适。

对于如1所示实施例，其反射腔体高度对天线性能存在影响。图 6是不同反射腔体高度情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中设置的反射腔体高度分别为48mm，51mm，54mm，57mm和60mm。可以总结反射腔体高度对天线性能的影响如下：

(1)随着反射腔体高度的增加，前后比先增加后降低，高度为51～54mm时前后比最优；

(2)除个别频点外，仰角10°增益随着反射腔体高度增加稳步地增加，高度为60mm时相比48mm时增加约1dB；

(3)在L2频段，仰角10°轴比随锯齿腔高度增加显著降低，L1 频段变化不明显；

(4)除极个别频点，PCV随着反射腔体高度增加。

综合考虑各方面性能，反射腔体的高度在51～57mm进行选择比较合适。

对于如1所示实施例，其反射腔体上锯齿个数的设定对天线性能存在影响。图7是不同锯齿个数情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中锯齿个数分别设置为4，8，12，16，20。可以总结锯齿个数对天线性能的影响如下：

(1)首先，当锯齿个数为4时，天线仿真给出的四个关键性能指标均不理想；

(2)锯齿个数大于4时，前后比随锯齿个数增加逐渐降低，仰角10°增益小幅上升，PCV也逐渐降低，而轴比无明显变化。

结合各方面性能，锯齿个数选择8～12个时比较合适。

对于如1所示实施例，其扼流圈槽深的设定对天线性能存在影响。图8是不同扼流圈槽深情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中扼流圈槽分别设置为64，62，60，58，56，54，52和50mm。可以总结扼流圈槽深对天线性能的影响如下：

(1)扼流圈槽深对L1频段的前后比影响较小，对L2频段的前后比影响非常剧烈，符合传统扼流圈的四分之一波长准则，如需最低频段具有30dB以上的前后比，扼流圈槽深应大于60mm；

(2)扼流圈槽深对仰角10°增益无显著影响，对仰角10°轴比有一定的影响，但无明显规律，并且最差情况下，轴比小于3dB；

(3)扼流圈槽深太浅时，相位特性显著恶化，要保证1mm以下 PCV，扼流圈槽深应大于58mm。

结合各方面性能，扼流圈槽深应接近L2频段最低频的四分之一波长，选择62mm左右的槽深较为合适。

对于如1所示实施例，其扼流圈槽宽的设定对天线性能存在影响。

图9是不同扼流圈槽宽情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中槽宽分别设置为8，9，10，11和12mm。可以看到扼流圈槽宽只对1.2G 频率以下的前后比有比较显著的影响，对1.2G频率以上的前后比以及其他性能指标均无明显的影响。从前后比指标看，槽宽为10mm时比较合适。

图10是不同扼流圈槽个数情况下天线关键性能仿真结果图；仿真中扼流圈槽个数分别设置为1，2，3，4和5个。可以总结锯扼流圈槽个数对天线性能的影响如下：

(1)扼流圈槽的个数对仰角10°最小增益和最大轴比的影响可以忽略，个数较少时最低频的相位中心稍大，其余频点没有明显变化。

(2)扼流圈槽的个数小于3时，前后比随槽个数增加变大，当槽的个数大于3时，前后比指标不再增大。

结合各方面性能，扼流圈槽个数应选择3个，若有更低的剖面要求，扼流圈槽个数也可以选择2个。

综上所述，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，任何本领域普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本实用新型的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。