[发明专利]一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线

说明书

本发明公开了一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线，包括第一板状电介质基板、刻蚀在第一板状电介质基板上的第一圆环形金属贴片、第二板状电介质基板、刻蚀在第二板状电介质基板上的第二圆环形金属贴片、辐射基板、刻蚀在辐射基板上的圆形金属贴片、第一馈电基板、第二馈电基板以及阶梯型金属桶壁，本发明核心内容在于采用外加馈电网络的多点中心对称馈电方式，使得天线具有较宽的阻抗带宽和轴比带宽，并通过保证天线整体结构关于中心对称，从而实现较小的相位中心偏差，同时通过调整第一、二圆环形金属贴片的半径和它们到圆形金属贴片的距离以及外围阶梯金属桶壁的半径可以使天线具有比较大的‑5dB波束宽度和3dB轴比波束宽度。

技术领域

本发明涉及圆极化天线的技术领域，尤其是指一种具有宽频带宽波束的零相位中心卫星导航天线。

背景技术

近几十年来，全球卫星导航定位系统获得了飞速的发展，由于其具有精度高、覆盖范围广、全天候、响应速度快等优点，现已被广泛应用在自动驾驶、地理测绘、精准农业、石油和天然气安全监测、无人飞行器和桥梁位移监测等诸多领域中，创造了巨大的经济价值和社会效益。

天线位于无线通信系统的最前端，起到将电路中的电信号和自由空间中电磁波相互转换的作用，是整个系统中至关重要的一环，天线性能的好坏将直接影响到系统的通信质量。圆极化天线由于能够克服电磁波穿透大气电离层时发生的法拉第旋转效应，且能够接收任意极化方向的来波，因此被广泛应用在卫星通信系统中。

现如今对于卫星导航系统的定位精度要求越来越高，这就要求天线具有稳定的相位中心。又由于这四大卫星导航系统在卫星定位服务的精确度、安全性、可靠性和可用性方面各有优缺点，如果能够在用户端实现全球兼容，那么就可以充分发挥各大卫星导航系统的技术优势，最终实现优势互补，因而急需研究能够融合四大卫星导航系统频段的宽频带圆极化天线。又由于卫星导航天线工作时至少要同时接收4颗卫星的信号，又根据卫星定位原理，低仰角方向的信号对定位精度的影响最大，这就要求天线必须能在低仰角时正常工作。即要求天线在theta＝85°时增益需大于-5dB。在GPS和北斗卫星导航系统中，圆极化天线通常需要它的3dB轴比波束宽度大于120°，在某些特殊场合可能需要更大的波束宽度，这样才能保证能够在地球上的任何位置都能接收到无线信号。

2010年，Chen Lin等人在IEEE Antennas Wireless Propagation Letters上发表题为“A three-fed microstrip antenna for wideband circular polarization”的文章，该天线通过一个一分三的宽带功率分配网络进行馈电，保证三个输出端口的相位依次相差120°，从而实现宽带圆极化辐射，同时采用在主辐射贴片上方加载寄生贴片的方式来进一步增大天线的阻抗带宽。

Ze-Kun Pan等人于2014年在IEEE Transactions on Antennas and Propagation上发表题为“Compact wide-beam circularly polarized patch antenna with aparasitic ring for CNSS application”的文章，该天线为双层结构，下层为圆形辐射贴片，上层为寄生金属环。通过在圆形贴片上加载两个矩形枝节来产生圆极化辐射，采用在辐射贴片正上面加载一个金属圆环方式来提高天线的波束宽度。但是该天线只能工作在点频，带宽较窄，无法提高宽频带范围内的波束宽度。