专利名称：有良好低仰角性能的双频宽波束圆极化天线的制作方法
技术领域：
本实用新型属于天线技术领域，具体讲是一种具有良好低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，用于作为双频GPS车载天线和有一根输出电缆的卫星导航定位系统与GPS兼容的用户机车载天线，如我国BD-2的兼容型用户机天线。
背景技术：
众所周知，卫星通信一般都使用圆极化天线，例如，美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、我国的BD-2卫星导航定位系统都希望移动用户机天线，如车载、舰载和机载，这种天线不仅要求尺寸小、生产成本低，而且在双频段要有好的圆极化特性。虽然有许多双频圆极化微带天线可以作为GPSL1和L2频段的右旋圆极化天线使用，但由于全球有24颗卫星供世界各地的用户使用，所以GPS用户并不要求GPS天线有好的低仰角性能。但有的系统，如我国的BD-2卫星导航定位系统，不仅要求用户机天线在上半空间具有半球型辐射方向图，特别是对低仰角增益提出了苛刻的要求，如要求5°仰角天线的增益不能低于-5dB。而现有的双频GPS天线由于低仰角性能差，无法满足BD-2卫星导航定位系统总体对有一根输出电缆的双频或宽频带宽波束用户机天线的要求。
虽然用0°、90°、180、°270°的相位关系给均布在一个圆周上的四个倒L型单极子天线馈电而构成圆极化天线，利用倒L型单极子中的水平导体的高仰角辐射，垂直导体的低仰角辐射，使天线合成的垂直面方向图特别宽，尤其是垂直导体的低仰角辐射，使它的低仰角性能得到明显的改善。但由于该天线为窄频带天线，仍然不能满足BD-2卫星导航定位系统既要求圆极化天线有良好的低仰角性能，又要求在两个频段如B1B3频段或宽频段工作的要求。
实用新型的内容本实用新型的目的在于克服现有双频或宽带GPS天线的不足，提供一种有良好低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，以满足在两个频段或宽频段工作的要求。
实现本实用新型目的的技术方案可以有两种，第一种方案可采用在倒L型单极子的水平导体中增加陷波电路；第二种方案可采用在倒L型单极子水平导体接近末端处附加寄生倒L单元，以实现用四个宽带倒L型单极子构成的宽波束圆极化天线双频或宽带工作的效果。但采用在倒L型单极子水平导体接近末端处附加寄生倒L单元的方案更有利于实现，因此本实用新型采用第二种方案。在该方案中整个天线包括多个有源倒L型单极子和接地板，这些有源倒L型单极子均布在接地板的圆周上，并依次按0°、90°、180°、270°相位关系设置馈电，组成馈电网络；每个有源倒L型单极子的水平导体末端固定有寄生倒L单元，构成宽带倒L型单极子；该寄生倒L单元与有源倒L型单极子结构相同，由垂直导体和水平导体组成；该寄生倒L单元的垂直导体分别与有源倒L型单极子的垂直导体平行，与接地板垂直；该寄生倒L单元的水平导体与有源倒L型单极水平导体平行，且与接地板平行，并由圆周指向圆心，构成只有一个输出端口的双频宽波束圆极化天线。
本实用新型由于采用给四个倒L型单极子且用四个馈电点馈电构成的圆极化天线本身就具有宽频带特性，再加上附加寄生倒L单元使该圆极化天线的带宽更宽，因而特别适合作为有一个输出端口的双频或宽带宽波束圆极化天线；同时由于本实用新型采用四单元四馈电方案，使天线结构对称，保证了水平面方向图呈全向的要求；此外由于本实用新型的倒L型单极子以空气为介质，既具有辐射效率高、又具有生产成本低的优点。有研究表明，本实用新型所采用的多单元多馈技术构成圆极化天线与单馈圆极化贴片天线相比，能明显的展宽天线的阻抗和轴比带宽。
图1(a)是本实用新型的结构示意图图1(b)是本实用新型结构的侧视图图2是本实用新型的馈电网络示意图具体实施方式
以下结合附图，详细说明本实用新型的内容。
参看图1(a)和图1(b)，1是有一个输出端口的双频或宽带圆极化天线，包括四个有源倒L型单极子2、3、4、5和馈电网络13，每个有源倒L型单极子是由是由垂直导体10和水平导体11组成，每个有源倒L型单极子的水平导体11末端固定有寄生倒L单元9，构成四个宽带倒L型单极子8。该寄生倒L单元9的结构与四个有源倒L型单极子结构相同，也由垂直导体12和水平导体14组成。四个宽带倒L型单极子8以空气为介质均布在一个圆周上，每个宽带倒L型单极子的垂直导体10与12平行，该两个垂直导体均与接地板7垂直；每个宽带倒L型单极子的水平导体11与14平行，该两个水平导体均与接地板7平行，且由圆周指向圆心。该寄生倒L单元9的垂直导体12通过介质材料28固定在有源倒L型单极子的水平导体11的末端。
参照图2，本实用新型为了把四个宽带倒L型单极子8变成圆极化，采用0°、90°、180、°270°相位关系的馈电网络13给四个宽带倒L型单极子8馈电。该馈电网络13位于接地板7的下面，由双面覆铜介质板18上的三个微带功分器15、16、17构成。实现0°、90°、180°、270°四个馈电点馈电的方案是将功分器16输出臂22的相位作为基准，即0°相位，让它的另外一个输出臂23的长度相对22长λg/4，即相位落后90°，λg为导波波长；同理让功分器17输出臂25相对输出臂24也落后90°，让功分器15输出臂到功分器17的输入端比到功分器16输入端的长度长λg/2，即相位落后180°，该180°与90°相加为270°，这样就实现了功分器16的两个输出臂22、23和功分器17的两个输出臂24、25分别具有0°、-90°、-180、°-270°相位。把功分器16、17的输出臂22、23、24、25分别与四个有源倒L型单极子5、4、3、2垂直导体的下端32、31、30、29相连，就构成了双频或者宽带右旋圆极化天线。为了在天线接地板7的下面安装混合器和低噪声放大器，本实用新型在馈电网络13的下面附加了一个带边环20的金属板21，该金属板21与接地板7固定在一块，并作为馈电网络13中微带功分器15、16、17的接地线。SFF-50-3同轴电缆26的内导体33与微带功分器15的输入臂27相连，同轴电缆26的外导体34与金属板21相连，同轴电缆26的另一端则与混合器或低噪声放大器相连。
假定双频宽波束圆极化天线的工作频段为f1和f2，且f2＞f1如BD-2兼容型用户机中的GPS L1频段f2和B3频段f1。选取有源倒L型单极子中的垂直导体10和水平导体11之和约λ20/4，λ20为工作频率f2所对应的中心波长，在有源倒L型单极子尺寸的基础上，调整寄生倒L单元9的尺寸及相对有源倒L型单极子的相对位置，使等效的倒L型单极子的长度约λ10/4，λ10为工作频率f1所对应的中心波长，就能使由四个宽带倒L型单极子8构成的圆极化天线在双频f1和f2工作。
本实用新型针对兼容型BD-2卫星导航定位系统只有一个输出端口的GPS L1频段和B3频段，经过仔细设计，根据所选择的宽带倒L型单极子的尺寸，进行了计算机仿真计算，其仿真结果是在GPS L1频段φ＝0°，φ＝90°时，天线最大增益为6dBic，5°仰角增益为-2dBic，5°仰角轴比小于8dB。在B3频段φ＝0°φ＝90°时，天线的最大增益为5.4dBic，5°仰角增益为-1.1dBic，10°以上仰角轴比小于6dB。
对于本领域的专业人员来说，在了解了本实用新型的内容后，都可能在不背离本实用新型技术方案的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，做出不限于四个宽带倒L型单极子的天线结构，但是这些基于本实用新型思想的修正和改变仍在本实用新型的权利要求保护范围之内。
权利要求1.一种有良好低仰角性能的双频宽波束圆极化天线，包括有源倒L型单极子和接地板，其特征在于有源倒L型单极子(2)、(3)、(4)、(5)均布在接地板(7)的圆周上，并依次按0°、90°、180°、270°相位关系设置馈电，组成馈电网络(13)；每个有源倒L型单极子的水平导体(11)末端固定有寄生倒L单元(9)，构成宽带倒L型单极子(8)；该寄生倒L单元的垂直导体(12)分别与有源倒L型单极子的垂直导体(10)平行，与接地板(7)垂直；该寄生倒L单元的水平导体(14)与有源倒L型单极水平导体(11)和平行接地板(7)平行，并由圆周指向圆心。
2.根据权利要求1所述的双频宽波束圆极化天线，其特征在于馈电网络(13)是用印刷电路制成微带功分器(15)、(16)、(17)组成，该功分器(16)、(17)的输出臂(22)、(23)和(24)、(25)分别与四个宽带倒L型单极子(8)垂直导体的下端(32)、(31)、(30)、(29)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的圆极化天线，其特征在于有源倒L型单极子的0°、90°、180°、270°相位关系设置，分别将功分器(16)的一个输出臂(22)的相位作为基准，即0°相位，将另外一个输出臂(23)的长度相对输出臂(22)长λg/4，即相位落后90°，将功分器(17)输出臂(25)相对输出臂(24)也落后90°，将功分器(15)输出臂到功分器(17)的输入端比到功分器(16)输入端的长度长λg/2，即相位落后180，该180°与90°相加为270°，λg为导波波长。
专利摘要本实用新型提供了一种有良好低仰角性能的双频或宽频带宽波束圆极化天线。主要由有源倒L型单极子和接地板构成，该有源倒L型单极子2、3、4、5均布在接地板7的圆周上，并依次按0°、90°、180°、270°相位关系设置馈电，组成馈电网络13；每个有源倒L型单极子的水平导体11末端固定有寄生倒L单元9，构成宽带倒L型单极子8；寄生倒L单元的垂直导体12分别与有源倒L型单极子的垂直导体10平行，与接地板7垂直；该寄生倒L单元的水平导体14与有源倒L型单极水平导体11和平行接地板7平行，并由圆周指向圆心。具有低仰角性能好，频带宽，辐射效率高等优点，特别适合作只有一个输出端口对低仰角性能有要求的双频或宽频带宽波束圆极化用户机天线。
文档编号H01Q9/04GK2865037SQ20052007925
公开日2007年1月31日 申请日期2005年8月16日 优先权日2005年8月16日
发明者刘军州, 黄友火, 雷敏, 贺大志, 张培团, 俱新德 申请人:西安海天天线科技股份有限公司