一種覆蓋全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的寬帶微型微帶天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術領域，確切說是涉及一種覆蓋全球衛(wèi)星導航系的微型接收天線。
【背景技術】
[0002]全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，被稱作人類在太空里的“眼睛”，哪個國家擁有這雙“眼睛”，就掌握了太空戰(zhàn)制勝的“王牌”，軍事的需要和重要的商業(yè)利益，迫使世界強國在這一領域的競爭日趨激烈。
[0003]全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有全時空、全天侯、高精度、連續(xù)實時地為地面、海洋以及空中各種載體提供位置、速度、時間等資訊服務的能力，具有對目標定位、導航、監(jiān)管和管理的精準功能，全球通訊、航天、探礦、救援、國防安全等各領域都離不開它。但是，限于各國的國力和科技水平，目前具有全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)及其導航服務能力的國家，只有美國、俄羅斯、中國和歐盟。
[0004]美國的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個接收型定位系統(tǒng)，只轉播信號，用戶接收就可定位，不受容量限制。整套系統(tǒng)包括繞地球運行的24顆衛(wèi)星，每顆衛(wèi)星能連續(xù)發(fā)射一定頻率的無線電信號，只要持有便攜式信號接收機，無論身處陸地、海上還是空中都能收到衛(wèi)星發(fā)出的特定信號。接收機中的電腦只要選取4顆或4顆以上衛(wèi)星發(fā)出的信號進行分析，就能確定接收機持有者的所在位置。然而，由于GPS系統(tǒng)的24顆衛(wèi)星分布在6條橢圓軌道上，每顆衛(wèi)星信號頻率和調制方式相同，不同衛(wèi)星信號靠不同偽碼區(qū)分，其存在的技術弱點是，衛(wèi)星反饋到地面接收機的GPS信號很弱時，受到干擾會使接收機無法正常工作，導致導航精度降低，這種衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)對中低瑋度地區(qū)的用戶比較便利。
[0005]俄羅斯的GL0NASS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前有21顆工作衛(wèi)星分布在3條軌道上，還有3顆備用衛(wèi)星，較適用高瑋度的用戶，與GPS相比其定位精度、隱蔽性稍差，但是其抗干擾性明顯強于GPS。由于其用戶端設備發(fā)展嚴重滯后，其全球的民用和商業(yè)用戶受到限制。
[0006]歐盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)之后，歐盟計劃建設的第4個全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，由30顆衛(wèi)星組成。系統(tǒng)的典型功能是信號中繼，即向用戶接收機的數據傳輸是通過特殊聯(lián)系方式或其他系統(tǒng)的中繼來實現，并且“伽利略”接收機將可以接受GPS、GL0NASS兩大系統(tǒng)的信號。
[0007]中國的BDS北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美、俄之后第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。該系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間段由5顆塗止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。根據系統(tǒng)建設總體規(guī)劃，己于2012年具備了覆蓋亞太地區(qū)的全天侯、全天時為各類運載工具提供定位、導航、授時服務，以及短報文通信能力。并將于2020年左右建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)。
[0008]目前在用的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)接收機的終端天線，都是針對不同的衛(wèi)星導航系統(tǒng)配備的不同的專有接收天線。這種導航系統(tǒng)使用的天線多為圓極化微帶天線，其缺點是:
(I)微帶天線工作頻帶的瓶頸問題。由于微帶天線是諧振式天線工作頻帶比較窄，一般只能做到10%左右，不能覆蓋目前四個導航系統(tǒng)的工作頻點。若突破微帶天線存在的工作頻帶窄的技術瓶頸，不得不采用多天線疊層結構。現有在用的星導航系統(tǒng)終端接收機窄帶微帶天線，為結構繁雜的具有疊層結構的雙天線盤，其盤面直徑為φ 146mm、盤高60mm，工作頻率的低端帶寬為1.2GHz-l.3GHz，高端帶寬為1.5GHZ_1.65GHz。雙天線盤頻帶太窄，不僅解決不了拓寬頻帶遇到的瓶頸問題，還造成天線結構更為復雜、尺寸過大、產生互耦干擾。(2)天線的小型化、微型化問題。目前衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端使用的微帶天線尺寸過大，很難裝在手持機、小型板卡以及對尺寸重量有嚴格要求的場合。

【發(fā)明內容】

[0009]本實用新型的發(fā)明目的在于:針對現有衛(wèi)星導航系統(tǒng)接受終端的接收機天線，工作頻帶窄、尺寸過大、不能兼容接收GPS、GL0NASS、北斗及伽利略四套衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號的技術難題，為用戶提供一種微小型、重量輕、方便攜帶，收接頻帶在1150-1700MHz，穩(wěn)定性好，實現一機一天線覆蓋全球GPS、GL0NASS、北斗、伽利略四套衛(wèi)星導航信號的便攜式終端寬帶微型微帶天線?？蓮V泛應用于:森林防火、登山旅游、軌道交通、高鐵運輸、關鍵設施的定位管理、監(jiān)測、通訊導航等領域。
[0010]實現本實用新型的發(fā)明目的需采用下述技術方案:
[0011]—種覆蓋全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的寬帶微型微帶天線，由輻射器、激勵器和饋電網絡組成，其特征在于:其中所述的福射器由邊長< 19mm、厚度< 1mm、介電常數Er為35-40的正方形陶瓷基材薄片，以及印制在該陶瓷基材薄片正方形頂面上、邊長為17mm的正方形金屬貼片與該陶瓷基材薄片構成一體；
[0012]所述的激勵器是裝在輻射器的底部，它是由與輻射器正方形陶瓷基材薄片等邊長、厚度< 6mm、介電常數Er為14-18的正方形介質基體，以及豎直封裝在該介質基體內的四根倒L型耦合探針所組成，探針針體頂部的彎折段與位于其頂部的輻射體的金屬貼片平行、探針針體底端裝在該介質基體下面的饋電網絡印制板上；
[0013]所述的饋電網絡，是裝在激勵器底部與其長寬尺寸相同的饋電網絡印制版，它是由一個180°電橋和兩個90°電橋組成的具有一個輸入端口和四個輸出端口的饋電網絡，該饋電網絡的四個輸出端口，分別為激勵器中的四根激勵探針提供等幅值、相位分別為0°、90°、180°、270°的信號電平。
[0014]所述輻射器的正方形金屬貼片，為采用準分形結構的第一級貼片，即是自金屬貼片各邊的中心位置，分別沿自邊的垂線方向，向其左右兩側擴展刻制具有相等寬度D1和相等長度的刻制分隔線，整塊貼片被刻制成前后左右具有中心連體結構的四塊形狀大小相同的第一級對稱貼片。
[0015]所述輻射器的正方形金屬貼片，為采用準分形結構的第二級貼片，即是針對第一級貼片中連體的如后左右四塊貼片的每塊貼片:對其外裸的相鄰兩邊，自各邊的中心位置沿自邊的垂線方向，向其左右兩側擴展刻制具有相等寬度Di和相等長度D2的兩條刻制分隔線;對其內含的相鄰兩邊，刻制位置與其外裸兩邊上的刻制分隔線相對應、具有對應相等寬度0:和長度D2的另兩條刻制分隔線，結構上形成前后左右四角中心連體和各角上每塊都具有四角中心連體、由16塊形狀大小相同的第二級貼片組成的輻射器的正方形金屬貼片。
[0016]所述采用準分形結構的第一級貼片，其刻制分隔線的寬度D1SlmnK長度為6.5-7.0mm0
[0017]所述采用準分形結構的第二級貼片，在其每塊連心的第一級對稱貼片上，自外裸的相鄰兩邊中心位置制出的刻制分隔線，以及與其對應的內含相鄰兩邊制出的刻制分隔線，其寬度DiSlmm、長度D2為2mm。
[0018]將貼片刻制成這種連心分級對稱貼片的優(yōu)點是:擴展天線工作帶寬，改善輻射效率。
[0019]所述激勵器的耦合探針與貼片的耦合距離為1.0-1.1mm。
[0020]所述激勵器耦合探針的彎折段長度為4.9-5.2_。
[0021]本實用新型的突出優(yōu)點是:與現有疊層結構的多根天線相比較:
[0022]I)本天線的輻射器具有準分形結構的貼片以及具有四根倒L型耦合探針的激勵器，兩者配合工作，突破了現有衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端接收機窄帶微帶天線工作頻率的瓶頸，實現了工作頻率擴展到1150-1700MHz，將現有天線的100-150MHz帶寬提高到550MHz帶寬，使接收信號頻率的帶寬擴展了3.6-5.5倍。
[0023]2)不加饋電網絡的本案單天線外形尺寸為:ISmmX 18mmX7mm，與現有天線尺寸相比較，大大縮小了天線的外形尺寸實現了天線的微小型化。
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型寬帶微型微帶天線外形結構示意圖
[0025]圖2為本實用新型寬帶微型微帶天線的輻射器俯視結構示意圖
[0026]圖3為本實用新型寬帶微型微帶天線的激勵器剖視圖
[0027]圖4為本實用新型寬帶微型微帶天線的饋電網絡電路框圖
[0028]圖5為本實用新型天線的駐波特性仿真圖
[0029]圖6為本實用新型天線的增益仿真結果圖
[0030]圖7-1至圖7-7為本實用新型天線方向仿真圖
[0031 ]圖8-1至圖8-7為本實用新型天線圓極化特性仿真圖
[0032]圖9-1至圖9-2為本實用新型試樣天線搜星試驗接收衛(wèi)星信號圖
[0033]圖中標記:I為輻射器、1-1為輻射器的頂面金屬貼片、1-2為輻射器的陶瓷介質基材薄片、1-3為采用準分形結構的第二級對稱金屬貼片、W為陶瓷介質基材薄片長度、L為金屬貼片長度、D1為金屬貼片的刻制分隔線寬度、D2為金屬貼片的刻制分隔線長度、2為激勵器、2-1為激勵器的正方形介質基體、2-2為封裝在激勵器介質基體內的倒L型耦合探針、2-3為倒L型耦合探針頂部的彎折段、3為饋電網絡印制版、3-1為固定在饋電網絡印制版上的饋電網絡輸入端口。
[0034]【附圖說明】:由圖5可以看出本天線在1.15-1.76GHz的寬頻帶范圍內，駐波<3，說明在寬帶范圍內具有較好配匹特性。
[0035]由圖6可以看出天線的增益為-ldB，說明盡管本天線尺寸大幅度減小，但是其接收信號的能力下降很小。
[0036]圖7-1至圖7-7為天線方向仿真圖。為了客觀反映輻射特性的立體效果，在天線的方位面上每隔10°取樣一次，共計取樣12次，切出12個方向圖。由這12個方向圖可以看出它們的重合度相當好，說明該天線的半球形方向圖是圓對稱