小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其創(chuàng)新點在于：采用短路加載微帶天線的形式，所述天線為一由上半部分和下半部分組成的圓柱體；所述上半部分和所述下半部分完全斷開；所述上半部分為可旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)置有金屬貼片、短路金屬帶、短路金屬柱A和饋電探針配置；所述下半部分為固定部分，設(shè)置有饋電網(wǎng)絡(luò)和短路金屬柱B。本發(fā)明提供的機械式頻率可重構(gòu)天線，通過旋轉(zhuǎn)天線上半部分可以使得天線在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的三個頻帶切換，利用短路加載結(jié)構(gòu)的連通與斷開，實現(xiàn)了微帶天線的頻率可重構(gòu)，真正意義上實現(xiàn)了天線的結(jié)構(gòu)復(fù)用。本發(fā)明的可重構(gòu)天線在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的三個頻帶內(nèi)均擁有很好的寬帶、方向圖、增益和圓極化輻射特性。
【專利說明】小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星導(dǎo)航天線，具體涉及一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航天線【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】:
[0002]隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，許多國家都建立了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗二代(Compass)導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球定位衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是即美國的GPS，俄羅斯的GL0NASS之后第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)?？稍谌蚍秶鷥?nèi)全天候、全天時為各類用戶提供高精度高可靠定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)。北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)一共有三個頻段，分別是
BI 頻段(1559MHz-1591MHz)、B2 頻段(1192MHz-1215MHz)、B3 頻段(1260MHz-
1279MHz)。在導(dǎo)航系統(tǒng)當中，終端導(dǎo)航天線起著至關(guān)重要的作用。所以，對于北斗導(dǎo)航三頻段手持機，需要設(shè)計一種能全部滿足三個頻段使用要求的北斗導(dǎo)航小型化天線來滿足其使用要求。
[0003]傳統(tǒng)的三頻天線設(shè)計難度非常大，尤其是對于北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的這三個頻段，這是因為這三個頻帶相隔非常窄，而且都要求一定的帶寬，同時還必須滿足圓極化輻射的特性。所以目前所發(fā)表的文獻中還沒有見到針對北斗二代這三個頻點設(shè)計的三頻天線。寬帶GNSS全頻段導(dǎo)航天線能滿足北斗導(dǎo)航系統(tǒng)三頻段的使用要求，但是GNSS天線最初是為了滿足從1.1GHz——1.6GHz的多種衛(wèi)星體質(zhì)兼容的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用要求而設(shè)計的。寬帶化的設(shè)計使其體積非常大，不適合手持機使用，而且1.1GHz——1.6GHz的寬頻帶性能對于只需要三個頻段的北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)而言是一種資源浪費。所以目前來說，北斗二代三頻導(dǎo)航天線目前在天線領(lǐng)域依舊是空白。
[0004]可重構(gòu)天線是近些年新出現(xiàn)的一種天線形式，可重構(gòu)天線有很多種類，包括頻率可重構(gòu)，方向圖可重構(gòu)，極化可重構(gòu)天線等等。但無論哪種可重構(gòu)天線都是通過電開關(guān)(二極管)或者機械開關(guān)來切換不同的工作模式(改變天線的結(jié)構(gòu)和電流分布)從而實現(xiàn)可重構(gòu)的。相對于傳統(tǒng)天線，可重構(gòu)天線體積較小并且適合于性能復(fù)雜多樣化的天線設(shè)計。
[0005]微帶天線因其小型化、低剖面、易加工的特點在導(dǎo)航天線中有著最廣泛的應(yīng)用，但是目前并沒有發(fā)表過的文章或者專利能對微帶天線進行機械式可重構(gòu)設(shè)計。之前發(fā)表的機械式可重構(gòu)天線多為單極子天線，而且均是通過一個饋電端口在多個單極子之間進行旋轉(zhuǎn)式切換來實現(xiàn)可重構(gòu)的，這樣不能真正意義上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)用從而導(dǎo)致天線體積過大。與此同時，短路加載技術(shù)是微帶天線一種常用的小型化技術(shù)，使用金屬探針在微帶天線上層貼片和下層地板之間直接連接或者耦合連接，可以使得天線諧振頻率大幅下降從而實現(xiàn)小型化。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0006]本發(fā)明針對現(xiàn)階段北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的三頻段導(dǎo)航天線的空白，以及對北斗手持機天線三頻段和小型化的需求，提供了一種三階頻率可重構(gòu)微帶天線，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)用，具有小型化，低剖面的特點，并且各項技術(shù)指標(帶寬、軸比帶寬、增益)在三個頻段內(nèi)均滿足要求。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:采用短路加載微帶天線的形式，所述天線為一由上半部分和下半部分組成的圓柱體；所述上半部分和所述下半部分完全斷開；
[0008]所述上半部分為可旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)置有金屬貼片、短路金屬帶、短路金屬柱A和饋電探針配置；所述上半部分最上端設(shè)置有金屬貼片，所述金屬貼片上均勻設(shè)置有四個與短路金屬帶匹配的槽，金屬貼片所在區(qū)域內(nèi)均勻分布有三組L型饋電探針配置，分別為配置1、配置2和配置3 ;天線上半部分中設(shè)置有四個完全相同的短路金屬帶，所述四個短路金屬帶均勻分布在圓周上，與金屬貼片相離，且每個短路金屬帶上均設(shè)置一個短路金屬柱A，通過短路金屬柱A通向天線下半部分；
[0009]所述下半部分為固定部分，設(shè)置有饋電網(wǎng)絡(luò)和短路金屬柱B;下半部分最底部設(shè)置有由寬帶移相器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)，所述饋電網(wǎng)路采用雙饋圓極化配置，設(shè)置有兩個饋電配置，所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括端口 1、端口 2和端口 3，所述端口 I為天線總饋電端口，通過寬帶移相器，輸出能量通過端口 2和端口 3向天線饋電，短路金屬柱B分為三組短路到地板，分別記為配置1、I1、III，配置1、I1、III均包括四個短路金屬柱B。
[0010]進一步的，所述配置III為折疊式的短路結(jié)構(gòu)，利用印刷電路板金屬化過孔技術(shù)，使其有效短路金屬結(jié)構(gòu)長度合理地增加，而配置I的金屬銅柱直接短路到地板。
[0011]進一步的，所述上半部分的短路金屬帶中設(shè)置一個和與金屬帶垂直的金屬結(jié)構(gòu)，形成了 一個十字型的短路金屬帶。
[0012]進一步的，所述斷開點均設(shè)置了金屬盤，防止出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后接觸不良的現(xiàn)象。
[0013]進一步的，所述天線中間還設(shè)置了 一個圓孔用來放置旋轉(zhuǎn)軸。
[0014]本發(fā)明的可重構(gòu)微帶天線采用的是短路加載微帶天線的形式，短路加載是一種微帶天線常用的小型化技術(shù)，傳統(tǒng)的短路加載技術(shù)指的是從微帶天線的輻射貼片直接引出或者耦合引出金屬帶，再連接到短路金屬柱直接短路到地板，這種技術(shù)可以使微帶天線的諧振頻率大幅下降從而實現(xiàn)微帶天線的小型化。在短路加載微帶天線當中，短路加載金屬柱是否直接短路到地板，短路金屬柱和金屬帶的長度，這兩個因素對天線的諧振頻率起著至關(guān)重要的影響。本專利正式利用短路加載技術(shù)這一特點，在同一微帶天線中設(shè)計多套結(jié)構(gòu)不同短路加載結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)天線上半部分結(jié)構(gòu)從而實現(xiàn)不同短路加載結(jié)構(gòu)的切換，從而實現(xiàn)頻率可重構(gòu)。
[0015]天線具體的頻率可重構(gòu)實現(xiàn)原理:天線的起始狀態(tài)時天線下半部分通過配置I進行短路，上半部分通過配置I饋電，此時天線通過參數(shù)調(diào)整在北斗導(dǎo)航B3頻段諧振，天線作用頻段為1258MHz——1278MHz，此狀態(tài)標記為B3狀態(tài)。之后將天線上半部分逆時針旋轉(zhuǎn)120度，下半部分固定不動，天線上半部分的短路結(jié)構(gòu)就和下半部分的配置III相連接并起短路作用；相對應(yīng)的下半部分的兩個饋電點就和上半部分的配置3相連接并起饋電作用。這時，利用短路配置I和III結(jié)構(gòu)上的不同(增加短路結(jié)構(gòu)有效長度)，就可以將天線的諧振頻率降低到北斗B2頻段(I 192MHz——1215MHz)，此狀態(tài)標記為B2狀態(tài)；再利用上半部分饋電配置I和3的結(jié)構(gòu)不同，可以使天線在B2頻段諧振狀態(tài)下實現(xiàn)阻抗匹配。同樣的過程，將天線從B3狀態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)120度，就可以將天線的諧振頻率從B3頻段上移至北斗導(dǎo)航BI頻段(1559MHz——1591MHz)，此狀態(tài)標記為BI狀態(tài)。
[0016]需要說明的是，所謂的BI狀態(tài)下的短路配置(配置II)實際上并沒有任何金屬結(jié)構(gòu)，也就說是在BI狀態(tài)下，天線短路結(jié)構(gòu)通過上半部分以后并沒有連接到下半部分的地板，從而沒有實現(xiàn)短路加載，這樣可使天線的諧振頻率大幅上升從而使天線諧振在頻率相對較高的BI頻段。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018](I)本發(fā)明提供的機械式頻率可重構(gòu)天線，通過旋轉(zhuǎn)天線上半部分可以使得天線在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的B1、B2、B3三個頻帶切換。
[0019](2)利用短路加載結(jié)構(gòu)的連通與斷開，實現(xiàn)了微帶天線的頻率可重構(gòu)，同時因為短路加載技術(shù)的使用，真正意義上實現(xiàn)了天線的結(jié)構(gòu)復(fù)用，使得天線有較小的電尺寸和較低的剖面，直徑僅有60mm (0.24波長)，高度12mm (0.048波長)。
[0020](3)仿真和實測數(shù)據(jù)證明，本發(fā)明提供的可重構(gòu)天線在北斗二代導(dǎo)航系統(tǒng)的三個頻帶內(nèi)均擁有很好的寬帶、方向圖、增益和圓極化輻射特性。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0021]圖1是本發(fā)明的天線結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明的天線的上部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是本發(fā)明的天線的下部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4是本發(fā)明的天線可重構(gòu)原理不意圖，圖中，A-Bl頻段,B-B2頻段，C-B3頻段；
[0025]圖5是本發(fā)明的天線饋電網(wǎng)絡(luò)；
[0026]圖6是天線具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；
[0027]圖7是天線上部結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖；
[0028]圖8是天線下部結(jié)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)示意圖
[0029]圖9是天線BI狀態(tài)駐波比實測仿真對比；
[0030]圖10是天線B2狀態(tài)駐波比實測仿真對比；
[0031]圖11是天線B3狀態(tài)駐波比實測仿真對比；
[0032]圖12天線仿真實測最大方向增益和軸比和頻率關(guān)系圖；
[0033]圖13天線B2狀態(tài)1.2GHz xz面軸比方向圖仿真實測對比；
[0034]圖14天線B2狀態(tài)1.2GHz yz面軸比方向圖仿真實測對比；
[0035]圖15是天線B3狀態(tài)1.268GHz xz面實測歸一化方向圖；
[0036]圖16是天線B3狀態(tài)1.268GHz yz面實測歸一化方向圖；
[0037]圖17是天線BI狀態(tài)1.575GHz yz面實測歸一化方向圖；
[0038]圖18是天線BI狀態(tài)1.575GHz yz面實測歸一化方向圖。
【具體實施方式】:
[0039]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細說明。
[0040]天線整體示意圖如圖1所示，天線整體上呈圓柱體，由上半部分01和下半部分02組成，下半部分02為固定部分，上半部分01為可旋轉(zhuǎn)部分，上半部分01和下半部分02完全斷開。由于導(dǎo)航天線需要天線有圓極化輻射的特性，所以在天線的下半部分02中，最底部的是由寬帶移相器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)03。饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計如圖5所示，包括I端口 031、2端口 032和3端口 033。為了實現(xiàn)小型化以及寬帶化特性，采用雙饋圓極化配置，寬帶移相器在包含了北斗三個頻段的很寬的頻段內(nèi)將能量從I端口 031輸入之后等分為二并實現(xiàn)2端口 032和3端口 03390°相位差輸出，之后通過L型饋電探針04向上通過耦合饋電給金屬貼片05。由圖2和圖3可以看出，天線下半部分02有一組兩個饋電配置09，而上半部分01有三組L型饋電探針04配置，標記為配置1041、配置2042和配置3043。在圖1所示的狀態(tài)中，只有配置1041和下半部分02的兩個饋電配置09相連接并起作用，另外兩組配置并不和下半部分饋電配置導(dǎo)通且并不起作用。
[0041]與此相對應(yīng)的，在天線上半部分01中，有一組共四個完全相同的短路金屬帶06，通過周圍的四個短路金屬柱A07通向天線下半部分02 ;而在下半部分02，共有三組每組四個短路金屬柱B08短路到地板，這三組標記為配置1081、配置11082、配置111083。在圖1所示的狀態(tài)中，只有配置1081實現(xiàn)了上下短路結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通，也就是說上半部分四個短路金屬柱A07和下半部分的配置1081短路結(jié)構(gòu)相連接并短路到地板，其他兩組配置I1082和配置II1083在圖1這種狀態(tài)下并連通從而不起作用。
[0042]天線具體的頻率可重構(gòu)實現(xiàn)原理如4所示:圖4中的B所示是天線的起始狀態(tài)(和圖1狀態(tài)相同)，此時天線下半部分02通過配置1081進行短路，上半部分01通過配置1041饋電，此時線通過參數(shù)調(diào)整在北斗導(dǎo)航B3頻段諧振，天線作用頻段為1258MHz——1278MHz，此狀態(tài)標記為B3狀態(tài)。之后將天線上半部分逆時針旋轉(zhuǎn)120度(如圖4中的A所示)，下半部分固定不動，天線上半部分01的短路結(jié)構(gòu)就和下半部分02的配置II1083相連接并起短路作用；相對應(yīng)的下半部分02的兩個饋電配置09就和上半部分的配置3043相連接并起饋電作用。這時，利用短路配置1081和配置II1083結(jié)構(gòu)上的不同(增加短路結(jié)構(gòu)有效長度)，就可以將天線的諧振頻率降低到北斗B2頻段(1192MHz——1215MHz)，此狀態(tài)標記為B2狀態(tài)；再利用上半部分L型饋電探針配置1041和配置3043的結(jié)構(gòu)不同，可以使天線在B2頻段諧振狀態(tài)下實現(xiàn)阻抗匹配。同樣的過程，將天線從B3狀態(tài)順時針旋轉(zhuǎn)120度(如圖4中的C)所示，就可以將天線的諧振頻率從B3頻段上移至北斗導(dǎo)航BI頻段(1559MHz——1591MHz)，此狀態(tài)標記為BI狀態(tài)。
[0043]需要說明的是，所謂的BI狀態(tài)下的短路配置(配置II)實際上并沒有任何金屬結(jié)構(gòu)，也就說是在BI狀態(tài)下，天線短路結(jié)構(gòu)通過上半部分01以后并沒有連接到下半部分02的地板，從而沒有實現(xiàn)短路加載，這樣可使天線的諧振頻率大幅上升從而使天線諧振在頻率相對較高的BI頻段。
[0044]以上就是本發(fā)明所提出的北斗三頻可重構(gòu)天線的實現(xiàn)原理，天線的具體結(jié)構(gòu)如圖6-8所示，可以看出，為了能使配置1081 (B3狀態(tài))和配置II1083 (B2狀態(tài))在結(jié)構(gòu)有足夠的差別，從而實現(xiàn)足夠的頻率差，并使其頻率差方便調(diào)整，本發(fā)明為配置II1083設(shè)置為折疊式的短路結(jié)構(gòu)，有效地利用了印刷電路板金屬化過孔技術(shù)，使其有效短路金屬結(jié)構(gòu)長度合理地增加，而配置1081沒有使用任何特殊的結(jié)構(gòu)(金屬銅柱直接短路到地板)。這樣使天線B2狀態(tài)和B3狀態(tài)諧振頻率有效的區(qū)分開來。而在上半部分01，短路金屬帶07中添加了一個和圖1金屬帶垂直的金屬帶結(jié)構(gòu)，形成了一個十字型的短路金屬帶10，這樣可以造成天線的BI狀態(tài)和B2、B3狀態(tài)更大的頻率差，以實現(xiàn)BI狀態(tài)諧振頻率的調(diào)整。與此同時，為了使天線上下部分中斷開的金屬結(jié)構(gòu)能接觸良好，在斷開點均設(shè)置了金屬盤防止出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后接觸不良的現(xiàn)象。除此之外為方便旋轉(zhuǎn)，天線中間還設(shè)置了一個圓孔用來放置旋轉(zhuǎn)軸11。
[0045]本發(fā)明的頻率可重構(gòu)三頻天線如圖1-8所示，具體數(shù)值如下:
[0046]
【權(quán)利要求】
1.小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:采用短路加載微帶天線的形式，所述天線為一由上半部分和下半部分組成的圓柱體；所述上半部分和所述下半部分完全斷開； 所述上半部分為可旋轉(zhuǎn)部分，設(shè)置有金屬貼片、短路金屬帶、短路金屬柱A和饋電探針配置；所述上半部分最上端設(shè)置有金屬貼片，所述金屬貼片上均勻設(shè)置有四個與短路金屬帶匹配的槽，金屬貼片所在區(qū)域內(nèi)均勻分布有三組L型饋電探針配置，分別為配置1、配置2和配置3 ;天線上半部分中設(shè)置有四個完全相同的短路金屬帶，所述四個短路金屬帶均勻分布在圓周上，與金屬貼片相離，且每個短路金屬帶上均設(shè)置一個短路金屬柱A，通過短路金屬柱A通向天線下半部分； 所述下半部分為固定部分，設(shè)置有饋電網(wǎng)絡(luò)和短路金屬柱B ;下半部分最底部設(shè)置有由寬帶移相器組成的饋電網(wǎng)絡(luò)，所述饋電網(wǎng)路采用雙饋圓極化配置，設(shè)置有兩個饋電配置，所述饋電網(wǎng)絡(luò)包括端口 1、端口 2和端口 3 ;短路金屬柱B分為三組短路到地板，分別記為配置1、I1、III，配置1、I1、III均包括四個短路金屬柱B。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:所述配置III為折疊式的短路結(jié)構(gòu)，利用印刷電路板金屬化過孔技術(shù)，使其有效短路金屬結(jié)構(gòu)長度合理地增加，而配置I的金屬銅柱直接短路到地板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:所述上半部分的短路金屬帶中設(shè)置一個和與金屬帶垂直的金屬結(jié)構(gòu)，形成了一個十字型的短路金屬帶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:所述斷開點均設(shè)置了金屬盤，防止出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)后接觸不良的現(xiàn)象。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小型化三階頻率可重構(gòu)北斗導(dǎo)航天線，其特征在于:所述天線中間還設(shè)置了一個圓孔用來放置旋轉(zhuǎn)軸。
【文檔編號】H01Q5/10GK103794870SQ201410003838
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】孫超, 鄭會利, 袁盟盟, 馮茂秘, 栗曦 申請人:西安電子科技大學(xué)