一种加固GNSS导航天线的制作方法

本实用新型属于定位系统的导航天线技术领域，涉及一种加固GNSS导航天线。

背景技术：

天基全球卫星导航定位系统（GNSS）技术目前已基本取代了地基无线电导航、传统大地测量和天文测量导航定位技术，广泛且深入地推动了大地测量与导航定位领域的全新发展。而作为GNSS系统射频最前端的高性能、高强度、轻量化天线的性能优劣直接关乎整个系统效能的发挥与实现程度，对整个系统性能实现具有不可忽略的重要意义。我国成功发射了第一颗BD卫星，标志着除GPS、GLONASS、GALILEO之外的世界上第4个GNSS系统进入实质性的运作阶段。GNSS天线是GPS/GLONASS/GALILEO/BD四大系统兼容天线，主要用于完成GNSS导航定位系统信号接收功能。

现在市面上GNSS天线多为民用商业级产品，且多为多层微带堆叠结构，结构复杂，方向图敏感易受复杂电磁环境影响而劣化；包络尺寸大难以满足空间载体及地面移动及终端载体对全频段GNSS天线高性能、小型化及对环境不敏感的高电磁鲁棒性需求。而且当天线用于高振动及冲击环境、大温差环境时，易出现单点失效故障，最终导致整个系统功能缺失与瘫痪。另外，当载体布局空间狭小有限时，该类型天线无法满足布局小型化需求。因此，亟需提出一种新型全频段、高性能、高电磁鲁棒性、抗大量级振动及冲击、适应大动态温度冲击范围的加固小型化天线，满足现有及未来搭载GNSS载荷和应用的系统与载体对GNSS天线的苛刻需求。本专利方案在传统单频段GPS/BD天线的设计基础上，采用非整周缠绕双臂独立谐振结构实现高极化抑制CP辐射，同时工作于GNSS（L1\L2\L5、B1\B2、E1\E5）全频段频点。本天线采用了小型轻量化设计技术，包络尺寸、重量近乎与仅工作于单频段的轻量化加固GPS/BD接收天线一致，具有良好的机械性能，可作为满足高性能布局空间及电磁环境恶劣等诸多苛刻需求额小型化全频段抗冲击GNSS新型天线使用。

该结构类型天线设计源泉源于1968年由美国人CC提出的理论原型单频天线设计。但是，其仅仅是通过解析和数值算法完成了理想细线天线模型性能仿真分析；通过分别对四支螺旋臂进行差分馈电激励，实现圆极化CP波辐射；并通过导线手工绕制辐射结构形成实验室级电性样机产品，仅仅满足单频段谐振应用需要，无法满足GNSS系统实际工程全频段覆盖接收应用要求。经过多年天线设计技术和制造工艺的发展，目前该类型天线具有平面印刷、介质加载、同轴线绕制等多种实现形式。对于同轴线绕制pcb印刷电路馈电形式类型，虽然原理上能够实现正交辐射臂的差分激励，形成CP辐射；但是受pcb馈电激励结构天生准TEM传输特性影响，损耗较大且不平衡与寄生辐射会降低天线的圆极化纯度，引起轴比上升性能劣化等问题；而且整个辐射结构设计刚性差，无法满足星载、机载和车载等对天线结构刚性要求较高的场合应用，仅可作为实验室级普通测试天线之用；最关键的是若要实现全频段或多频段工作，需要增加结构设计复杂度通过增加辐射贴片采用层叠结构或额外增加寄生辐射结构实现GNSS全频段工作需求。平面印刷结构天线，虽然具有良好的低剖面特性，易于与后端RF电路和载体实现共形集成，但是受表面波辐射影响天线效率较低、宽角圆极化性能也不是十分理想，随着介电常数上升物理尺寸减小的同时，天线Q值增大，工作带宽减小，无法很好的满足宽频带应用需求；而且平面微带天线形式易受到周围EM环境的影响，引起天线电性能进一步劣化。为了提高天线方向图的旋转对称性，需要对天线四个辐射臂激励相位进行严格控制、同时需要巴伦结构抑制中心馈电结构的电流外溢引起的馈线辐射效应。现有差分激励方式为通常通过额外增加馈电网络和附加自移相枝节结构实现各个辐射臂90°激励；3dB耦合馈网激励结构虽然能够很好的实现四个螺旋臂90°相差激励，但是设计较为复杂且重量较重，增加天线轻量一体化设计难度。自移相枝节结构，虽然省去了额外增加一个差分馈网部件，结构相对简单，通过调谐枝节长度实现容性和感性阻抗模式实现CP辐射，对相位控制要求较高，工程实现难度较大；而且仍需要在原辐射结构中增加调谐枝节，且枝节位置长度定型后，当最佳AR点偏离工作频点时，无法对天线进行二次性能优化调谐，限制了此类天线的应用；最关键的问题是，当需要实现双频、多频或GNSS全频段工作时，需要通过嵌套另外一幅天线口径来实现带宽拓展，极大地增加了工程实现复杂度，嵌套设计复杂，难以满足未来全球卫星导航系统对于射频前端天线高性能、高集成和高可靠需求。上述天线结构类型，均只实现了单频段工作，无法满足GNSS全频段工作需求，也无法在承受苛刻力学环境和热环境要求的同时，依然保持良好的电磁辐射性能；要么在载体或平台出现大量级振动或冲击时出现辐射结构或激励结构损坏而无法正常接收卫星导航信号，要么在载体所处环境温度大范围变化时出现AR、VSWR和Gain等关键电指标剧烈劣化等现象，无法配合接收机完成导航信号接收与捕获，降低系统效能、影响整个系统功能实现。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种稳定性好、抗冲击下好且全GNSS频段双频宽带工作特性好的加固GNSS导航天线。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种加固GNSS导航天线，包括空腔的外导体以及设置于空腔外导体内的内导体；

所述外导体外周布设有用于实现天线辐射的辐射单元，所述辐射单元至少包括第一辐射体和第二辐射体，所述第一辐射体的最高点距离所述外导体的高度高于所述第二辐射体的最高点距离所述外导体的高度；

且所述第一辐射体所述的平面与所述第二辐射体所处的平面之间有夹角，所述夹角大于0°小于360°。

进一步地，所述外导体上还连接有短路支撑部件。

进一步地，所述短路支撑部件为台阶状结构。

进一步地，所述短路支撑部件为两个，所述第一辐射体的两端分别与两个所述短路支撑部件连接。

进一步地，所述辐射单元为螺旋结构，所述螺旋结构的旋转圈数为N圈，所述N为大于零的非整数。

进一步地，所述内导体通过销钉与所述外导体连接。

进一步地，所述外导体上套设有连接件，所述第二辐射体与所述连接件连接。

进一步地，所述外导体端部设有天线高频插座接口。

进一步地，所述外导体为双层腔体，所述双层腔体形成平衡激励槽体。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的GNSS导航天线（L1\L2\L5、B1\B2、E1\E5）可全面应用于全球卫星导航系统空间段及地面段移动和终端设备上，具有全频段、高性能、轻量化及抗高强度振动和冲击等特点。通过加载及拓扑融合设计技术可实现波束宽度控制和迷你化等优越设计特征，满足未来军民两用航天、航空及地面移动终端日趋迷你化和电性能鲁棒性等苛刻需求。

本实用新型中，通过不同最高高度的辐射体，通过双独立谐振结构设计，天线实现了全GNSS频段双频宽带工作特性，同时具有小型化设计特性。

本实用新型中的天线，具有稳定性好的特点。

本实用新型中的GNSS加固天线，其解决了现有GNSS天线物理拓扑尺寸大、结构实现复杂、电磁性能易受载体环境影响而显著劣化、F/B前后比小、需要额外差分馈电激励网络和移相枝节、重量重、结构刚度与强度差、材料线胀系数不一致引起的热性能差、电性能易受周围EM环境加载而劣化等问题，进而可以满足星载、机载、车载及高机动终端大振动及冲击量级、宽范围温度冲击等苛刻环境条件下的最优电气性能和力热性能应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的主视图；

图2为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的右视图；

图3为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的驻波曲线图；

图4为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的高频端方向图；

图5为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的高频端轴比图；

图6为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的低频端方向图；

图7为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的低频端轴比图；

图8为本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线的全频段轴比随频率变化曲线图；

图中数字和字母所表示的相应部件名称：

1、外导体；2、内导体；3、短路支撑部件；4、辐射单元；401、第一辐射体；402、第二辐射体；5、销钉；6、连接件；7、天线高频插座接口；8、平衡激励槽体。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、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，进一步阐述本实用新型。

参照附图1-8所示，本实用新型提供的一种加固GNSS导航天线，包括空腔的外导体1以及设置于空腔外导体1内的内导体2；

所述外导体1外周布设有用于实现天线辐射的辐射单元4，所述辐射单元4至少包括第一辐射体401和第二辐射体402，所述第一辐射体401的最高点距离所述外导体1的高度高于所述第二辐射体402的最高点距离所述外导体1的高度；

且所述第一辐射体401所述的平面与所述第二辐射体402所处的平面之间有夹角，所述夹角大于0°小于360°。

即本实用新型的加固GNSS导航天线，首先采用内导体2与外导体1结合，同时通过不同最高高度的辐射体，以及不同平面的辐射体，使其形成双独立谐振结构设计，进而方便天线实现了全GNSS频段双频宽带工作特性，同时具有小型化设计特性，且尺寸和重量与申请1中的天线相差无几。

为了更进一步地稳固外导体1，所述外导体1上还连接有短路支撑部件3。

更进一步地，所述短路支撑部件3为台阶状结构。采用台阶式的目的，一个就是提高加固天线的电学性能；另一个就提高他的结构的力学性能。

进一步地，所述短路支撑部件3为两个，所述第一辐射体401的两端分别与两个所述短路支撑部件3连接。

进一步地，所述辐射单元4为螺旋结构，所述螺旋结构的旋转圈数为N圈，所述N为大于零的非整数。优选半圈。具体地，螺旋结构非整周缠绕，结合双臂独立谐振结构，实现高极化抑制CP辐射。

进一步地，为了方便内导体2与外导体1之间的稳定，所述内导体2通过销钉5与所述外导体1连接。

进一步地，为了方便实现和连接不同最高高度的悬臂，所述外导体1上套设有连接件6，所述第二辐射体402与所述连接件6连接。高的辐射臂与短路支撑部件3连接，短的与连接件6。

进一步地，为了实现通讯，所述外导体1端部设有天线高频插座接口7。

进一步地，所述外导体1为双层腔体，所述双层腔体形成平衡激励槽体8。

参照附图3-8所示，通过本实用新型方向图仿真结果可以看出，本申请天线实现了高、低两个GNSS频段高性能宽波束辐射；天线增益在高低两个频段分别达到了4.3和3.6dB；实现了高交叉极化抑制度，极化抑制分别为31和17dB。

结合附图可知，本实用新型的天线在高低两个频段均实现了良好的圆极化性能，轴比分别为0.4和2.5dB，且具有宽角圆极化特性。

结合附图可知，本实用新型的天线在高低两个频段均实现了良好的阻抗匹配性能，具有双频宽带特性，驻波分别为1.2和1。24，完全可以满足GNSS信号的接收需求。

本实用新型的天线，由差异化螺旋辐射体对、中心馈电激励同轴体和结构加强部组件等三大部分组成。双频段激励同轴内导体通过定位结构和销孔设计安装集成与外部结构加强同轴线内，实现馈电激励的同时完成高低频端的双频段阻抗变换与匹配功能；外导体结构实现整个天线结构刚度和强度加固支撑设计的同时，实现巴伦平衡馈电结构功能与寄生辐射抑制功能；螺旋辐射体采用高强度和韧度金属材料通过专用成形夹具工装完成旋向、升角、半径和外形固化成形设计，具备构成高强度高精度辐射臂的同时，实现自移相差分激励设计；内部和外部架构加强部组件，在不影响天线电性能的同时进一步提高天线的抗振动和抗冲击能力，显著提高天线在苛刻环境条件下的电性能鲁棒性和可用性。

本实用新型采用准全金属加固设计理念，在保持天线优异电性能设计的同时，显著提高天线在不同电磁、力学和热环境下的生存能力和性能保持能力；运用电磁、力学和热一体化融合设计与仿真技术实现天线自由空间理论数值仿真性能分析与工程化实现的高度统一；通过半物理仿真设计手段和高精度制造工艺实现天线产品批量化生产性能高度一致性和好用性设计。双频段激励及阻抗变换同轴内导体通过特殊定位结构和销孔设计安装集成与外部结构加强同轴线内，实现高低频端馈电激励的同时完成阻抗变换与匹配功能；外导体结构实现整个天线结构刚度和强度加固支撑设计的同时，实现巴伦平衡馈电结构功能与寄生辐射抑制功能；螺旋辐射体采用高强度和韧度金属材料通过专用成形夹具工装完成旋向、升角、半径和外形固化成形设计，具备构成高强度高精度辐射臂的同时，实现自移相差分激励设计；内部和外部架构加强部组件，在不影响天线电性能的同时进一步提高天线的抗振动和抗冲击能力，显著提高天线在苛刻环境条件下的电性能鲁棒性和可用性。

本实用新型GNSS全频段、优秀增益、高AR纯度、同一物理口径双模辐射、差异化长短臂自移相与弯角动态调谐结构、双频段同轴芯线激励与阻抗变换技术、最优双频平衡馈电激励与高强度高刚度结构支撑一体化、结构迷你化轻量化、空气介质加载高效率辐射结构、高EM性能鲁棒性、抗大量级振动和冲击、极宽温度冲击范围性能保持设计等。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。