稳定相位中心测量型天线的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种稳定相位中心测量型天线，主要用于大地测量学及其相关学科领域，包括海洋大地测量学、地球物理勘探、资源勘探、工程测量、工程形变与空间飞行器对接等。天线包括了：天线金属基座，金属基座外沿上表面的吸波材料；金属基座中心部分为一圆形腔体，腔体内自上而下安装有线路板保护罩、多馈电缝隙天线阵、支撑介质、腔内环形吸波材料、同轴馈电线及射频接头；圆形腔体和基座外沿之间包含了两个圆形槽扼流圈。本发明因综合采用了多馈电点、吸波材料和扼流圈技术，天线具有宽角度极化轴比低和相位中心稳定度高的特点，可用于各种卫星导航精密测量应用。
【专利说明】稳定相位中心测量型天线
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种适用于卫星导航精密测量技术或空间飞行器对接技术需要的高精度定向定位用的高稳定相位中心天线，具有驻波比小、轴比小、宽波束范围内相位中心稳定度高等显著优点。
【背景技术】:
[0002]目前全球运营的卫星导航系统有美国的GPS系统、俄罗斯的GL0NASS系统、欧洲的伽利略系统和中国的北斗二代卫星导航定位系统。定位与测量是卫星导航系统的两大功能，定位以伪码相位为观测量确定伪距，测量主要以载波相位观测量确定伪距。卫星导航精密测量技术广泛应用于大地测量学及其相关的学科领域，主要包括包括海洋大地测量学、地球物理勘探、资源勘探、工程测量与工程形变等。另外空间飞行器间自行构建的精密测量技术也可应用于空间飞行器的对接技术。天线相位中心的变化和多径效应是高精度导航精密测量系统中的显著误差源，一般天线由于其相位中心的不稳定会带来厘米级以上甚至是十米级以上的误差，无法实现精密测量技术需要的毫米级及其以下的测量精度。
[0003]当前主要针对美国全球卫星导航定位系统(GPS)设计的高稳定相位中心天线的类型多样，但归纳起来基本为以下两种形式:一种是采用轴对称多馈源的微带层叠贴片天线，如Trimble公司的Zephyr测量型天线和Topen公司的LegAnt3天线,都是四馈源微带叠层贴片天线；另一种是采用“风火轮”技术的多臂平面螺旋缝隙天线，如Novatel公司的GPS-700天线和Sokkia公司的Sok600天线。第一种通过轴对称多馈源设计保证了天线的轴对称性，馈源越多，对称性越好，相位中心稳定度越高，但馈电网络越复杂，就不易实现，调节较难。另外复杂的馈电网络，由于有更多的网络泄漏能量也会影响相位中心的稳定度。第二种天线通过多个平面螺旋缝隙天线保证天线的高稳定相位中心，馈电网络采用串馈行波微带线馈电电路，结构简单。由于采用串馈形式，虽然可以保证多个缝隙间相位依次递减，但其馈电幅度不可调节且递减，馈电幅度的不一致性与天线效率形成了矛盾，最终体现在天线相位中心稳定度与天线效率的矛盾。
【发明内容】
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[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种馈电网络简单、馈电幅度可调节、驻波小、轴比小、宽波束范围内相位中心稳定的测量型天线。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:
[0006]稳定相位中心测量型天线，包括:用于固定和安装天线其他各部件的天线金属基座1，基座的外沿低于基座的中间和中心部分，基座的中间部分为用于反射信号和抑制多径干扰的环形金属扼流圈，所述的金属扼流圈包括了第一扼流圈和第二扼流圈，第一和第二扼流圈与基座中心同圆心，并且第一扼流圈位于第二扼流圈之内，第二扼流圈位于基座外沿之内，第一扼流圈之内为基座中心部分，基座中心部分为一圆形腔体用于放置线路板等天线的核心部件；天线的基座外沿低于基座中心和中间部分的平台上放置用于吸收反射信号的吸波材料；天线基座中心部分的圆形腔体内自上而下放置有多馈电点缝隙天线阵、腔内吸波材料，所述的多馈电点缝隙天线阵包含用于保护线路板的保护罩3、多层线路板加工用的半固化片、刻蚀多个缝隙的金属贴片4、介质基片5、环形串馈微带线6、腔内吸波材料
7、介质支撑基片8;金属托盘9将缝隙天线阵和吸波材料固定在天线基座的中心位置，托盘下方连接射频接头10。
[0007]所述的天线基座，包含了外沿圆环形平台101，该平台低于天线基座中间部分环形金属扼流槽的高度，圆环形平台和环形金属扼流槽的高度差hi为安装在圆形平台上吸波材料2的高度，吸波材料的大小与圆形平台的大小一致；基座的中间部分为用于反射信号和抑制多径干扰的两圈环形金属扼流圈，第一个扼流圈102和第二个扼流圈103高度一致，并且和天线基座中心部分圆形腔体外沿高度一致；圆形腔体的外沿高于扼流圈l_2mm，且外沿向圆形腔体内部上沿突出l_2mm的突台105，用于卡住圆形腔体内安装的天线部件。
[0008]所述的保护罩的半径和圆形腔体半径一致；保护罩中心和离开中心二分之一半径处分别有两个孔301，302，方便用于天线阵和同轴电缆的连接以及微带馈线末端吸收负载的焊接；保护罩的外沿距离最大半径处l_2mm处印制有金属层303，且金属层印制在保护罩的上下表面并通过15-20个金属化304过孔将上下表面的金属层短路。
[0009]所述的多馈电点缝隙天线阵包含刻蚀多个缝隙的金属贴片、介质基片、环形串馈微带线，其特征在于:圆形介质基片5的上表面为圆形金属贴片4，贴片刻蚀有N2 < NS 16个缝隙400，N个缝隙均匀分布在圆形金属贴片上，且每个缝隙都由径向矩形缝隙401和轴向异形缝隙402组成，介质基板的下表面刻蚀有环形微带线6 ;圆形介质基片和圆形贴片的半径与圆形腔体半径一致。
[0010]所述的径向矩形缝隙还包括了一个小矩形缝隙403，宽度W和长度L可以调节，通过调节其长度可以使缝隙处于谐振状态，调节缝隙宽度则可以控制缝隙耦合的能量从而控制缝隙馈电幅度。
[0011]所述的金属贴片，通过圆心处有一环形槽404，环形槽内部为一圆形焊盘405，且在第一个和第N个缝隙之间刻蚀有径向矩形槽，槽内部刻蚀有一微带线，微带线的一端通过圆心，圆心处有一金属化过孔，用以连接同轴电缆的芯线。微带线的另一端通过金属化过孔连接至介质基片下层的环形串馈微带线的一端；介质基片下层的环形串馈微带线6的一端通过过孔将信号导引至基片上层的金属贴片，并在过孔处刻蚀一个矩形小缝隙406，缝隙内有另一微带线407,该微带线一端与过孔502连接,微带线407另一端与负载连接,而负载的另一端连接至金属贴片上。
[0012]所述的介质支撑基片的介电常数较小；中心处有一圆孔，用于馈电电缆通过；该介质支撑基片8的半径小于圆形腔体的半径；
[0013]所述的环形腔内吸波材料7的高度与介质支撑基片8的高度一样；环形腔内吸波材料的外径与圆形腔体的半径一致，环形腔内吸波材料的内径与介质支撑基片的外径一致；
[0014]自上而下，将所述的多馈电点缝隙天线阵、腔内吸波材料和同轴馈电线11安装在天线基座中心的圆形腔体内，腔体内的部件上面由天线基座中心圆形腔体内沿突台105卡住，下面由金属托盘9堵住，金属托盘下方安装馈电射频接头10。
[0015]本发明与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点:[0016]本发明为抑制天线反射信号和多径干扰信号，不仅采用了常规扼流圈的形式还采用了吸波材料覆盖的方法，有效提高了多径干扰信号的抑制能力；本发明所述的天线基座的中心部分即圆形腔体的内壁上沿向内凸起，不需要用螺钉等常规方法固定多馈电点缝隙天线单元和腔内吸波材料，因为引入螺钉等固定方式会破坏天线的轴对称性，因而使天线的相位稳定性下降；本发明所述的缝隙天线单元的径向矩形缝隙的长度和宽度可以调整，通过改变缝隙的长度和宽度调整缝隙耦合的能量，从而使得缝隙天线阵的各个缝隙单元得到等幅度的能量，而第L (I≤L≤N)个缝隙单元得到的相位为-(L-1) *360/N度，使得天线具有超高稳定的相位中心特性；本发明在金属基座的圆形腔体内引入了腔内吸波材料，吸收了腔体壁上多余的电流，进一步的提高了相位中心的稳定度。
【专利附图】
【附图说明】:
[0017]图1是本发明的整体示意图；
[0018]图2是本发明的金属基座不意图；
[0019]图3线路板保护罩示意图；
[0020]图4金属贴片示意图；
[0021]图5金属贴片局部示意图；
[0022]图6介质基片不意图；
[0023]图7环形串馈微带线示意图；
[0024]图8-1腔内吸波材料示意图，图8-2腔内吸波材料剖视图；
[0025]图9-1介质支撑基片示意图，图9-2介质支撑基片剖视图；
[0026]图10-1金属托盘示意图，图10-2金属托盘剖视图；
【具体实施方式】:
[0027]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0028]参见图1、2、3、4、5、6、7、8-1、8-2、9-1、9-2、10-1、10-2，一种高稳定相位中心测量
型天线，包括:用于固定和安装天线其他各部件的天线圆形金属基座，圆形基座的外沿低于基座的中间和中心部分，基座的中间部分为用于反射信号和抑制多径干扰的环形金属扼流圈，所述的金属扼流圈包括了第一扼流圈和第二扼流圈，基座中心部分为一圆形腔体用于放置线路板等天线的核心部件；天线的基座外沿低于基座中心和中间部分的平台上放置用于吸收反射信号的吸波材料；天线基座中心部分的圆形腔体内自上而下放置有多馈电点缝隙天线阵、腔内吸波材料；圆形金属托盘将缝隙天线阵和吸波材料固定在天线基座的中心位置，托盘下方连接射频接头。
[0029]进一步的，所述的多馈电点缝隙天线阵自上而下主要包含了用于保护线路板的保护罩、多层线路板加工用的半固化片、刻蚀多个缝隙的金属贴片、介质基片、环形串馈微带线，介质支撑基片。线路板保护罩的中心部分和距离中心适当位置开有圆形孔用于其下层金属层的焊接；金属层为刻蚀均匀排布的缝隙天线单元的圆形金属贴片，其中每个缝隙天线单元的径向段尺寸可以调节，利用金属化过孔，将串行馈电微带线输入端馈电点上引至介质基片的上层即圆形金属贴片层，同时在在金属层的中心位置至上引的过孔处刻蚀缝隙槽，缝隙槽内过孔和金属层中心印刷微带线，将天线阵与同轴馈电电缆的焊接点引致天线阵的正中心位置。用相同的方法将环形串馈微带线的另一端点通过过孔将信号引至金属层，再利用缝隙和微带线把环形串馈微带线的另一端信号在金属层与负载连接，负载的另一端与金属层连接。
[0030]进一步的，所述的多馈电点缝隙天线阵，其金属层下方是介质基片，介质基片的下表面为环形串馈微带线。
[0031]进一步的，所述的多馈电点缝隙天线阵，其环形串馈微带线下方为半固化片和介质支撑基片，介质支撑基片的半径小于中心基座的圆形腔体，介质支撑基片的高度与腔体内吸波材料的高度一致。利用半固化片和多层线路板加工技术，将线路板保护罩、金属层、介质基片、串行微带线层，介质支撑基片层压为一体，形成多馈电点缝隙天线阵的核心部件。
[0032]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限于此，对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
【权利要求】
1.稳定相位中心测量型天线，其特征在于，包括: 天线金属基座(1)、设置在天线金属基座上的外沿圆环形平台和基座的中间部分，外沿圆环形平台低于基座的中间部分，基座的中间部分设置有环形金属扼流圈，环形金属扼流圈包括了第一扼流圈和第二扼流圈，第一扼流圈和第二扼流圈与基座中心同圆心，并且第一扼流圈位于第二扼流圈之内，第二扼流圈位于基座外沿之内，第一扼流圈之内为基座中心部分，基座中心部分为一圆形腔体，圆形腔体内自上而下放置有多馈电点缝隙天线阵和腔内吸波材料，基座的外沿放置用于吸收反射信号的吸波材料。
2.如权利要求1所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的多馈电点缝隙天线阵包含用于保护线路板的保护罩(3)、多层线路板加工用的半固化片、刻蚀多个缝隙的金属贴片(4)、介质基片(5)、环形串馈微带线(6)、腔内吸波材料(7)、介质支撑基片(8);金属托盘(9)将缝隙天线阵和吸波材料固定在天线基座的中心位置，托盘下方连接射频接头(10)。
3.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的外沿圆环形平台(101)低于天线基座中间部分环形金属扼流槽的高度，外沿圆环形平台和环形金属扼流槽的高度差hi为安装在圆形平台上吸波材料(2)的高度，吸波材料的大小与圆形平台的大小一致；基座的中间部分为用于反射信号和抑制多径干扰的两圈环形金属扼流圈，第一个扼流圈(102)和第二个扼流圈(103)高度一致，并且和天线基座中心部分圆形腔体外沿高度一致；圆形腔体的外沿高于扼流圈1_2_，且外沿向圆形腔体内部上沿突出1-2_的突台(105)，用于卡住圆形腔体内安装的天线部件。
4.如权利要求2所 述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的保护罩的半径和圆形腔体半径一致；保护罩中心和离开中心二分之一半径处分别有左孔(301)和右孔(302)，方便用于天线阵和同轴电缆的连接以及微带馈线末端吸收负载的焊接；保护罩的外沿距离最大半径处l_2mm处印制有金属层(303)，且金属层印制在保护罩的上下表面并通过15-20个金属化(304)过孔将上下表面的金属层短路。
5.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的多馈电点缝隙天线阵包含刻蚀多个缝隙的金属贴片、介质基片、环形串馈微带线，圆形介质基片(5)的上表面为圆形金属贴片(4)，贴片刻蚀有N个缝隙(400)，N个缝隙均匀分布在圆形金属贴片上，且每个缝隙都由径向矩形缝隙(401)和轴向异形缝隙(402)组成，介质基板的下表面刻蚀有环形微带线(6);圆形介质基片和圆形贴片的半径与圆形腔体半径一致；其中2 < N < 16。
6.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的径向矩形缝隙还包括了一个小矩形缝隙(403)，宽度W和长度L可以调节，通过调节其长度可以使缝隙处于谐振状态，调节缝隙宽度则可以控制缝隙耦合的能量从而控制缝隙馈电幅度。
7.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的金属贴片，通过圆心处有一环形槽(404)，环形槽内部为一圆形焊盘(405)，且在第一个和第N个缝隙之间刻蚀有径向矩形槽，槽内部刻蚀有一微带线，微带线的一端通过圆心，圆心处有一金属化过孔，用以连接同轴电缆的芯线；微带线的另一端通过金属化过孔连接至介质基片下层的环形串馈微带线的一端；介质基片下层的环形串馈微带线(6)的一端通过过孔将信号导引至基片上层的金属贴片，并在过孔处刻蚀一个矩形小缝隙(406)，缝隙内有另一微带线(407)，该微带线一端与过孔(502)连接，微带线(407)另一端与负载连接，而负载的另一端连接至金属贴片上。
8.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的介质支撑基片的介电常数较 小；中心处有一圆孔，用于馈电电缆通过；该介质支撑基片(8)的半径小于圆形腔体的半径。
9.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的环形腔内吸波材料(7)的高度与权利要求8所述的介质支撑基片(8)的高度一样；环形腔内吸波材料的外径与圆形腔体的半径一致，环形腔内吸波材料的内径与介质支撑基片的外径一致。
10.如权利要求2所述稳定相位中心测量型天线，其特征在于: 所述的多馈电点缝隙天线阵、腔内吸波材料和同轴馈电线(11)安装在天线金属基座中心的圆形腔体内，腔体内的部件上面由天线基座中心圆形腔体内沿突台(105)卡住，下面由金属托盘(9)堵住，金属托盘下方安装馈电射频接头(10)。
【文档编号】H01Q1/38GK103904408SQ201410086861
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】黄友火, 邓敬亚, 郭景丽, 尹应曾 申请人:西安电子科技大学昆山创新研究院