一种相位中心稳定的GNSS掩星定位天线的制作方法

本发明涉及一种高精度探测的圆极化天线。

背景技术：

近些年以来，国内开始研究一种基于GPS、北斗等卫星系统无线电信号探测地球大气环境的方法：卫星无线电信号在穿越地球大气层时收到大气折射影响，传播路径发生弯曲，导致用户接收机接收到的信号相位产生延迟，通过测量这些延迟量可获取大气中温度、压强、湿度、电子密度等信息。为了提高掩星探测反演精度，提出了一个基于全球卫星导航系统(GNSS)的探测系统。作为GNSS掩星探测系统中的关键部件，高精度的掩星定位天线技术已成为当前急需解决的问题。

掩星定位天线是一种宽波束覆盖天线，要求天线在宽角范围内具有较高的增益、良好的轴比性能，以及稳定的相位中心。目前的掩星定位天线多采用谐振式的螺旋天线、微带天线和普通空气腔式天线。谐振式的螺旋天线和微带天线频结构较为紧凑，具有较高的辐射效率，可实现良好的宽角波束覆盖，但是工作带宽较窄，不能覆盖GPS、BD、GALILEO以及GLONASS的频率范围；同时其相位中心在宽频带、宽波束范围内的稳定性较差。普通空气腔式天线结构也较为紧凑，工作带宽较宽，相位中心在宽频带、宽波束范围内有良好的稳定性能，天线增益较高，但是其宽角波束覆盖性能差，低仰角增益普遍较低。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种双频段、高低仰角增益和高相位中心稳定度的GNSS天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片、天线基板、馈电网络、馈电插针、金属固定螺钉和介质固定螺钉。

所述的底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片为平行排列的金属片，所述的金属固定螺钉穿过底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片的中心，所述的介质固定螺钉分别穿过底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片的四角，将底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片依次固定在天线基板上方；馈电网络紧贴在天极基板下表面，提供0°、90°、180°和270°相移以及等功率分配信号；所述的馈电插针贯穿天线基板和底层辐射片，连接第二层辐射片和馈电网络，且馈电插针不接触天线基板和底层辐射片。

所述的天线基板、底层辐射片、第二层辐射片和顶层辐射片之间均由空气填充。

所述的底层辐射片、第二层辐射片和顶层辐射片为相同的规则对称图形，包括正方形、菱形和圆形。

本发明的有益效果是：

(1)辐射片之间为空气介质，且底层辐射片采用耦合馈电方式，改善了输入端口的阻抗特性，能有效地提高天线的工作频带特性。天线可覆盖GPS、BD-2，GALILEO及GLONASS的频率范围。

(2)天线上部附加了一个顶层辐射片，顶层辐射片为一反射机构，通过精确控制优化其尺寸大小与离下层辐射片的间距，能有效地提高第二层辐射片和底层辐射片辐射信号的低仰角增益，同时提高天线在宽波束范围内的相位中心稳定度。

(3)通过四点馈电点形式圆极化。与普通的单点馈电及两点馈电形成圆极化相比，四点馈电结构对称，在拓展天线工作带宽的同时，能有效的改善天线在宽角范围内的辐射特性，提高天线在宽角范围内的增益电平、轴比特性、相位中心稳定度。

(4)为了提高结构强度，除了天线的四角有四个介质螺钉作为支撑，在天线的中心位置，还有一个金属螺钉对天线进行加固。

附图说明

图1为现有技术中圆极化天线的组装结构切面示意图。

图2为本发明的组装结构切面示意图。

图3为本发明的顶层辐射片正面示意图。

图4为本发明的第二层辐射片正面示意图。

图5为本发明的底层辐射片正面示意图。

图6为本发明的顶层辐射片几种形状的正面示意图。

图7为本发明的第二层辐射片几种形状的正面示意图。

图8为本发明的底层辐射片几种形状的正面示意图。

图9为现有技术中顶层辐射天线的仿真增益方向图。

图10为本发明的第二层辐射天线的仿真增益方向图。

图11为现有技术中顶层辐射天线的仿真轴比方向图。

图12为本发明的第二层辐射天线的仿真轴比方向图。

图13为现有技术中底层辐射天线的仿真增益方向图。

图14本发明的底层辐射天线的仿真增益方向图。

图15为现有技术中底层辐射天线的仿真轴比方向图。

图16为本发明的底层辐射天线的仿真轴比方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的一种相位中心稳定的GNSS掩星定位天线包括：底层辐射片、第二层辐射片、顶层辐射片、天线基板、馈电网络、接头、馈电插针、中心金属固定螺钉和介质支撑/固定螺钉。

所述的辐射片为金属片，底层辐射片高于天线基板，位于基板上方；第二层辐射片高于底层辐射片，改进增加的顶层辐射片位于第二层辐射片上方。

所述的馈电插针贯穿天线基板和底层辐射片，并与第二层辐射片以及馈电网络连接。

所述的中心金属固定螺钉穿过三层辐射片，并把三层辐射片安装至天线基板上。

所述的介质支撑/固定螺钉安装于天线辐射片四角，穿过三层辐射片，并把三层辐射片安装至天线基板上。

所述的馈电网络安装于天线基板下方，为天线提供0°、90°、180°和270°相移以及等功率分配信号，从而形成天线圆极化。

如图2所示，本发明改进后的圆极化天线的实施例包括天线基板1、底层辐射片2、第二层辐射片3、顶层辐射片4、位于天线基板1背面的馈电网络5、接头6、馈电插针7、介质支撑/固定螺钉8、中心金属固定螺钉9。图中，三层辐射片的支撑/固定介质螺钉8把辐射片2、3和4固定到天线基板1上，作为结构件以作为天线支撑、加强天线强度；天线中心的金属固定螺钉9使得天线辐射片2、3和4中心能够良好接地，又固定辐射片2、3和4至天线基板1上，进一步加强了天线结构；天线的馈电网络5提供0°、90°、180°和270°相移的等功率分配信号；天线的馈电针7上端与第二层辐射片3连接；下端从底层辐射片2和天线基板1的孔中穿过，联至天线的馈电网络5。馈电针7对第二层辐射片3电连接、直馈，对底层辐射片耦合馈电，通过接头6输入/输出射频信号。

如图3所示，为图2所述天线中顶层辐射片的正面示意图。图中，中心为金属固定螺钉9穿过中心孔10，顶层辐射片通过金属固定螺钉9中心接地、短路，四角为介质支撑/固定螺钉8位置示意孔11。

如图4所示，为图1所述天线中第二层辐射片的正面示意图。图中，中心为中心金属固定螺钉9穿过的中心孔10，第二层辐射片通过金属固定螺钉9中心接地、短路。四角为介质支撑/固定螺钉8位置示意孔11。四边为馈电插针7位置示意孔12。第二层辐射片天线仿真的增益、轴比方向图参见图10和图12。

如图5所示，为图2所述天线中底层辐射片的正面示意图。图中，中心为中心金属固定螺钉9穿过的中心孔10，底层辐射片通过金属固定螺钉9中心接地、短路。四角为介质支撑/固定螺钉8位置示意孔11。四边为馈电插针7位置示意孔13，馈电插针7从孔13中穿过，未连接。底层辐射片天线仿真的增益、轴比方向图参见图14和图16。

如图9所示，为图1所述天线顶层辐射天线的仿真增益方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示增益。

如图10所示，为图2所述天线第二层辐射天线的仿真增益方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示增益。

如图11所示，为图1所述天线顶层辐射天线的仿真轴比方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示轴比。

如图12所示，为图2所述天线第二层辐射天线的仿真轴比方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示轴比。

如图13所示，为图1所述天线底层辐射天线的仿真增益方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示增益。

如图14所示，为图2所述天线底层辐射天线的仿真增益方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示增益。

如图15所示，为图1所述天线底层辐射天线的仿真轴比方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示轴比。

如图16所示，为图2所述天线底层辐射天线的仿真轴比方向图。其中横轴(X轴)表示天线仰角角度，纵轴(Y轴)表示轴比。

通过对比图9到图16改进前后圆极化天线的增益与轴比方向图后可以看出，在增加顶层辐射片后，第二层辐射片和底层辐射片辐射信号的低仰角增益得到了明显提高，轴比性能也得到一定程度优化。

本实施例中，天线基板和底层、第二层、顶层辐射片之间由空气填充。

该天线顶层、第二层和底层辐射片外形通常为规则对称图形(如图6、图7和图8)，以正方形、菱形和圆形为主。本发明圆极化天线在两个频段内的辐射特性和谐振特性分别由馈电插针位置、辐射片尺寸及其高度来决定。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的保护范围，凡是本发明内容的等效变换，或将本发明直接/间接运用在具体设备或者其它相关的技术领域，均包括在本发明的保护范围内。