一種用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡的制作方法

本發明涉及射頻技術領域，特別是涉及一種用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡。

背景技術：

隨著全球衛星導航系統的迅速發展，對多系統導航能力的需求也隨之增加，為能滿足兼容四大導航系統終端設備應用需求，天線應具備較寬的增益帶寬和波束帶寬，并且系統滿足兼容性更強和結構更加緊湊等要求。

現有技術中，天線設計分為單饋法和多饋法，多饋法相對于單饋法來說，微帶天線帶寬較寬，但其饋電網絡也相對復雜，如果饋電點越多，則導致饋電網絡所占用的空間就越大，不利于小型化的設計，也使其與低噪放大電路的連接變得困難。若能將多個饋電點合路為一個射頻輸入端口，則有利于多饋電點天線與低噪放大電路的一體化設計，使其形成結構簡潔牢固的有源天線。

由此可見，如何解決多片天線中饋電點較多時饋電網絡的設計問題是本領域技術人員亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡，用于平衡饋電點較多時所帶來的饋電網絡所占空間大的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡，包括一個天線射頻輸入端口、8個饋電探針、第一90°混合器、第二90°混合器和第三90°混合器；

饋電探針包括4個頂層同軸探針和4個底層同軸探針，4個頂層同軸探針的相位分布和4個底層同軸探針的相位分布均為-270°，-180°，-90°和0°，并沿導航天線的幾何中心順時針對稱分布，同一相位的頂層同軸探針和底層同軸探針通過第一微帶線連接以共用饋電網絡的同一饋電端口；

第一90°混合器的輸入端與導航天線的輸入端口通過50歐姆微帶線相連，第二90°混合器的輸入端與第一90°混合器的第一輸出端相連，第三90°混合器的輸入端與第一90°混合器的第二輸出端相連；

其中，第二90°混合器的第一輸出端、第二90°混合器的第二輸出端、第三90°混合器的第一輸出端和第三90°混合器的第二輸出端作為饋電網絡的4個饋電端口，并通過4個底層同軸探針連接導航天線。

優選地，底層同軸探針的饋電點距幾何中心點均為11.3mm，頂層同軸探針的饋電點距幾何中心點均為5.5mm。

優選地，4個所述頂層同軸探針的過孔的孔壁上都有銅涂層。

本發明所提供的用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡，同一相位的頂層同軸探針和底層同軸探針與饋電網絡的同一饋電端口連接，并只通過3個90°混合器就將8個饋電探針合路為1個射頻輸入端口，因此，能夠避免多個饋電端口的引入所導致的饋電網絡的結構復雜性問題。同時，由于兩個饋電點的相互連接，使得兩片天線可設更多的饋電點，也使這兩個貼片的諧振形成互耦，這些都有利于增大兩個頻段的輻射帶寬。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例，下面將對實施例中所需要使用的附圖做簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種雙頻精確導航天線的俯視圖；

圖2為本發明實施例提供的圖1對應的側視圖；

圖3為本發明實施例提供的一種饋電網絡的結構圖；

圖4為本發明實施例提供的一種饋電網絡的實物圖；

圖5(a)為本發明實施例提供的一種饋電網絡的回波損耗仿真圖；

圖5(b)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口2和端口1的相位差仿真圖；

圖5(c)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口4和端口3的相位差仿真圖；

圖5(d)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口3和端口1的相位差仿真圖；

圖6為本發明實施例提供的一種天線的回波損耗圖；

圖7為本發明實施例提供的一種天線在1.191ghz-1.252ghz頻段范圍內xz和xy截面上的增益方向圖；

圖8為本發明實施例提供的一種天線在最大增益方向時1.22ghz處的軸比；

圖9為本發明實施例提供的一種天線在1.482ghz-1.617ghz頻段范圍內xz和xy截面上的增益方向圖；

圖10為本發明實施例提供的一種天線在最大增益方向時1.48ghz處的軸比。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下，所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護范圍。

本發明的核心是提供一種用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡，用于平衡饋電點較多時所帶來的饋電網絡所占空間大的問題。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

針對目前高精度精確導航系統的需求，研制出一款寬波束帶寬，高增益，廣角低軸比等綜合性能優越的雙頻圓極化天線是當前系統導航終端設備的迫切需求。而圓極化天線的優勢在于：隨著導航系統的應用范圍越來越廣以及對高速運行的目標進行跟蹤測量的要求，單一的天線極化方式已經不能滿足需要，而圓極化天線能夠接收任何形式的極化電磁波，并且任意一種極化形式的接收天線都能接收它輻射出的圓極化波。如果將此優勢應用在導航設備上，就可以避免導航系統因為翻轉或者角度不合適而收不到信息，同時也避免了信息的漏失。為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案。

首先對于雙頻精確導航天線進行說明。圖1為本發明實施例提供的一種雙頻精確導航天線的俯視圖。圖2為本發明實施例提供的圖1對應的側視圖。如圖1和圖2所示，該天線包括頂層輻射單元、底層輻射單元。頂層輻射單元包括中心對稱的頂層輻射貼片10，底層輻射單元包括中心對稱的底層輻射貼片20，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20形狀相同且中心垂直對齊。頂層同軸探針11關于頂層輻射貼片10中心對稱，并依次連接頂層輻射貼片10、底層輻射貼片20和饋電網絡30以作為頂層饋電點，底層同軸探針21關于底層輻射貼片20中心對稱，并依次連接底層輻射貼片20和饋電網絡30以作為底層饋電點。

需要說明的是，圖1和圖2中，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20均為正八邊形，這僅僅是一種具體實施方式，在其他實施例中，還可以是正方形或者正十六邊形，或者圓形等，只要是滿足中心對稱即可。另外，在圖中，頂層饋電點和底層饋電點的均為4個，在其他實施例中，還可以為2個或8個等。

在具體實施中，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20均放置在電介質板上，如圖2所示，頂層輻射貼片10放置在頂層電介質板12上，底層輻射貼片20放置在底層電介質22上。另外，頂層輻射單元和底層輻射單元之間通過頂層接地面13連接，即頂層電介質板12放置在頂層接地面13上；底層輻射單元和饋電網絡30之間通過底層接地面23連接，即底層電介質板22放置在底層接地面23上。底層接地面23通過第三電介質板31與饋電網絡30連接。

頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20分別通過頂層同軸探針11和底層同軸探針21與饋電網絡30連接以進行饋電。各頂層同軸探針11和各底層同軸探針21具有相同的相位分布，因此，每個頂層同軸探針11都有一個與其對應的底層同軸探針21，如圖1所示，每個虛線框中就是一對相位相同的頂層同軸探針11和底層同軸探針21。同一相位的頂層饋電點和底層饋電點通過第一微帶線連接以共用饋電網絡30的同一饋電端口。因此，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片21的信號輸入共用了同一個饋電線路，將兩種工作在不同頻段的饋電點連接起來，通過反復調節饋電點相對位置，合理地規避了由于饋電點兩兩相連所帶來的干涉與反饋問題，并且利用了其中耦合產生的新的諧振，實現了雙寬頻結構的導航天線設計。

上文中對于本發明所提供的新型饋電網絡所對應的導航天線的結構進行了詳細的說明。圖3為本發明實施例提供的一種饋電網絡的結構圖。圖4為本發明實施例提供的一種饋電網絡的實物圖。如圖3所示，新型饋電網絡，包括與導航天線連接的8個饋電探針、第一90°混合器hyb1、第二90°混合器hyb2和第三90°混合器hyb3。

饋電探針包括4個頂層同軸探針11和4個底層同軸探針21，4個頂層同軸探針11的相位分布和4個底層同軸探針21的相位分布均為-270°，-180°，-90°和0°，并沿導航天線的幾何中心順時針對稱分布，同一相位的頂層同軸探針11和底層同軸探針21通過第一微帶線32連接以共用饋電網絡的同一饋電端口。

第一90°混合器hyb1的輸入端與導航天線的輸入端口通過50歐姆微帶線相連，第二90°混合器hyb2的輸入端與第一90°混合器hyb1的第一輸出端相連，第三90°混合器hyb3的輸入端與第一90°混合器hyb1的第二輸出端相連。

其中，第二90°混合器hyb2的第一輸出端、第二90°混合器hyb2的第二輸出端、第三90°混合器hyb3的第一輸出端和第三90°混合器hyb3的第二輸出端作為饋電網絡30的4個饋電端口，并通過4個底層同軸探針21連接導航天線。

如圖3所示，在具體實施中，第一90°混合器hyb1和第三90°混合器hyb3通過第二微帶線tl1連接，且第一90°混合器hyb1、第二90°混合器hyb2和第三90°混合器hyb3均通過電阻接地。輸入信號通過第一90°混合器hyb1后，依次進入第二90°混合器hyb2和第二微帶線tl1，然后第二90°混合器hyb2輸出相位為0°和-90°輸出信號，第二微帶線tl1與第三90°混合器hyb3后，第三90°混合器hyb3輸出相位為-180°和-270°的信號。優選地，電阻為50歐姆。如圖3所示，第一功分器hyb1、第二功分器hyb2和第三功分器hyb3均通過50歐姆的電阻r接地。另外，第二微帶線tl1為四分之一微帶線。在具體實施中，將得到的四路相位各相差90°的等幅信號通過50歐姆微帶線與外面四個饋電點(底層l2(1.225ghz)頻段饋電單元)連接，而這四個饋電點再通過50歐姆微帶線與里面四個饋電點(頂層l1(1.582ghz)頻段饋電單元)相連，這就形成了完整的雙寬頻導航天線的設計。

通過將上述饋電網絡結構，使得頂層輻射單元在l1(1.582ghz)頻段工作時，底層輻射單元(工作在l2(1.225ghz)頻段)只相當于一個負載，不參與工作，但也會對l1頻段產生反饋，反之亦然。在l1(1.582ghz)頻點附近激發了新的諧振頻率，根據其電場分布，不斷降低新諧振頻率和l1波段之間的頻偏，使這兩路諧振峰緊密相連，大大增大了l1波段的帶寬范圍。

本實施例提供的用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡，同一相位的頂層同軸探針和底層同軸探針與饋電網絡的同一饋電端口連接，并只通過3個90°混合器就將8個饋電探針合路為1個射頻輸入端口，因此，能夠避免多個饋電端口的引入所導致的饋電網絡的結構復雜性問題。同時，由于兩個饋電點的相互連接，使得兩片天線可設更多的饋電點，也使這兩個貼片的諧振形成互耦，這些都有利于增大兩個頻段的輻射帶寬。

作為優選地實施方式，底層同軸探針21的饋電點距幾何中心點均為11.3mm，頂層同軸探針11的饋電點距幾何中心點均為5.5mm。

如圖2所示，同一相位的頂層同軸探針11的饋電點和底層同軸探針21的饋電點距離為s1，頂層同軸探針11與下兩個相位的底層同軸探針21的距離為s2。底層同軸探針21距中心點的距離d底層＝s2/2+s1＝11.3mm，底層同軸探針21的半徑為r2＝0.5mm。頂層同軸探針11距中心點的距離d頂層＝s2/2-s1＝5.5mm。其中，s1＝2.9mm，s2＝16.8mm。實驗證明，上述參數可以成功消除二者饋電之間的反饋。

在上述實施例的基礎上，4個頂層同軸探針的過孔的孔壁上設置有銅涂層。

如圖1所示，過孔的直徑r1＝1.5mm，在孔壁內覆銅。由于輻射貼片諧振時產生的電場遇到金屬時會產生反射，利用這種特性，在下層電介質板對應于頂層同軸探針的位置挖一層金屬過孔，孔壁上覆銅，這樣一來，頂層輻射貼片10諧振時，產生的電場順著同軸探針向下傳播的過程中，遇到該金屬孔壁，便會沿原路反射回去；同樣地，底層輻射貼片20諧振時，由于在該貼片上方置一層金屬接地面(即頂層接地面13)，同樣也達到了屏蔽電場的作用。

本實施例中，通過設置過孔，并在過孔的孔壁上覆銅，使得兩層輻射貼片的電場相互獨立，不產生干擾。同時由于金屬對電場的屏蔽作用，防止兩層貼片輻射時產生的能量流失，大大提高了輻射增益。

為了讓本領域技術人員更加清楚本發明所提供的方案，下文中給出了導航天線的各尺寸信息。作為優選地實施方式，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20均為正八邊形。可以理解的是，除了正八邊形外，還可以是正方形等。通過仿真數據對比，頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20設計成規則的正八邊形，得到的回波損耗最小，更能有效地實現阻抗匹配。

如圖1所示，底層電介質22為正方形，邊長為l1，底層輻射貼片20的邊長為l2，頂層電介質板12為正八邊形，邊長為l3，頂層輻射貼片10的邊長為l4。在一種實施例中，l1＝90mm，l2＝24.1mm，l3＝24mm，l4＝18.15mm。

如圖2所示，底層輻射貼片20的長度為k2，頂層電介質板12的長度為k3，頂層輻射貼片10的長度為k4。頂層電介質板12和頂層輻射貼片10的厚度為h3，底層電介質板22和底層輻射貼片20的厚度為h2，第三電介質板31和饋電網絡30的厚度為h1。

在具體實施中，頂層電介質板12、底層電介質板22和第三電介質板31均采用tp2材料的高頻介質基板，介電常數為4.4，厚度為4mm。可以理解的是，上述參數并不唯一，可以根據實際情況靈活選取。

頂層輻射貼片10和底層輻射貼片20的各邊的中心均包含有矩形槽。如圖1所示，頂層輻射貼片10各邊的矩形槽的邊長分別為d3和d4，底層輻射貼片20各邊的矩形槽的邊長分別為d0和d2。通過增加矩形槽，可以以彌補實際加工與仿真之間出現的頻偏誤差(貼片的尺寸會影響諧振頻率的大小)。具體的，d0＝4mm，d2＝2mm，d3＝3mm，d4＝2mm。

為了說明本發明所提供的用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡的特性，通過仿真進行驗證。

圖5(a)為本發明實施例提供的一種饋電網絡的回波損耗仿真圖。圖5(b)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口2和端口1的相位差仿真圖。圖5(c)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口4和端口3的相位差仿真圖。圖5(d)為本發明實施例提供的一種饋電網絡中端口3和端口1的相位差仿真圖。其中，橫坐標表示頻率，s(1,1)指的是該饋電網絡的回波損耗，s(1,2)，s(1,3)，s(1,4)，s(1,5)分別指饋電網絡的1，2，3，4端口的增益(端口1對應-270°，端口2對應-180°，端口3對應-90°，端口4對應0°)。phase(d1)指端口2較端口1的相位差，phase(d2)指端口4較端口3的相位差，phase(d3)指端口3較端口1的相位差。

如圖5(a)-圖5(d)所示，在1ghz-1.7ghz頻段范圍內，射頻端口的s11都小于-25db，足夠滿足此款天線的饋電要求，兩兩端口之間的相位差與90°只存在1°的偏差，說明相位參數控制地很合理，能夠保障天線的輸入端性能。

圖6為本發明實施例提供的一種天線的回波損耗圖。如圖6所示在1.191ghz-1.252ghz(波束帶寬61mhz)頻段范圍內，射頻端口的s11小于-10db，中心頻率1.225ghz，射頻端口的s11小于-18db；在1.482ghz-1.617ghz(波束帶寬155mhz)頻段范圍內，射頻端口的s11小于-10db，中心頻率1.582ghz處，射頻端口的s11小于-15db。

圖7為本發明實施例提供的一種天線在1.191ghz-1.252ghz頻段范圍內xz和xy截面上的增益方向圖。如圖7所示，在以1.225ghz為中心頻率的該頻段內，水平方向范圍內均能實現360°全方位覆蓋。最大增益為4db，xz和xy截面的增益方向圖基本一致，表現出一致地對稱性。

圖8為本發明實施例提供的一種天線在最大增益方向時1.22ghz處的軸比。如圖8所示，在仰角θ≤50°范圍內，軸比均小于1db。說明具有很好的圓極化性能。

圖9為本發明實施例提供的一種天線在1.482ghz-1.617ghz頻段范圍內xz和xy截面上的增益方向圖。如圖9所示，在以1.582ghz為中心頻率的該頻段內，水平方向范圍內均能實現360°全方位覆蓋。最大增益為5db，xz和xy截面的增益方向圖基本一致，表現出一致地對稱性。

圖10為本發明實施例提供的一種天線在最大增益方向時1.48ghz處的軸比。由圖10可知，在仰角θ≤50°范圍內，軸比均小于1db。軸比性能良好。

以上對本發明所提供的用于雙頻精確導航天線的新型饋電網絡進行了詳細介紹。說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。