介质体导航天线

技术领域

本发明涉及卫星导航系统(GNSS)中的一种导航天线的构成方式，具体而言，涉及一种采用陶瓷、塑料、玻璃或其它对电磁波损耗不太大且防水和耐候性能良好的介质材料作为接收外来电磁波主体的天线构成方案，这种形式的天线工作频段覆盖目前四种主要GNSS系统的信号，可以作为高精度的卫星导航天线来使用。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)具有全天候，近实时、高精度的特点，可持续发射L波段信号，具有定位、导航、授时三大功能，可实时地为用户提供时间和空间上的标准和所有与位置有关的动态信息，现已广泛应用于交通运输、工程施工、抗震救灾、勘探测绘、渔业农业、水利水电和公共安全领域。天线作为GNSS系统中收发电磁波信号的关键部件，其重要性不言而喻。对GNSS终端设备中的天线，其要求一般包含三个方面，即宽频带、宽波束和稳定的方向图相心。所谓宽频带是指天线的工作频带应覆盖从1164MHz～1615MHz的全频段，宽波束是指天线要有120°的空域覆盖，稳定的方向图相心是指在工作频段内天线的方向图要有集中在一个几何点上的相位中心。

市面上的GNSS天线大多采用螺旋天线、十字振子天线、微带天线这样的天线形式。其中螺旋天线又分为平面螺旋和轴向螺旋两种，平面螺旋天线的横向尺寸比较大，波束宽度比较窄，覆盖空域不够宽，而轴向谐振螺旋天线的纵向尺寸比较长，制作也比较困难；十字振子天线也有纵向尺寸比较大，波束不够宽的问题，将振子向地板倾斜虽然可以使波束宽一些，但结构不容易固定，因此这几种早期在GNSS系统中使用过的天线现在用得越来越少了。目前市场中最常见的GNSS天线大都是微带形式的，因为这种天线结构简单，就一张印制板，易于制作，并且还有低剖面的特点，但是工作频率带宽比较窄是其的不足，对于需要同时接收北斗2、GPS、GLONASS、Galileo系统高低两个频段信号的用户来说，单个微带天线是不敷其用的，好在这四大卫星导航系统的信号频率主要集中在1164MHz～1300MHz和1559MHz～1615MHz这两段比较窄的频带内，于是人们采用将两个分别工作在这两段频段之上的微带贴片天线堆叠在一起，然后再通过电路将其信号合在一起的办法来解决这个问题。目前市面上的所谓全频段导航天线大多是这种结构。由于两块堆叠在一起的微带贴片天线在空间位置上是错开的，因此堆叠天线在这两个频段的相位中心也是分离的，这会给系统带来了额外的修正天线相位中心偏差的工作。

在传统天线的设计理念中，天线的电气性能的设计是和环境适应性设计分开的，也就是先设计天线使其满足所需的电气性能，然后再在不影响天线电气性能的情况下对其环境适性进行补充设计，在很多时候，就是对设计完成的天线加装防护罩，用来防止天线在野外工作时受到雨水以及其它外部因素的侵害。目前我们在市场上看到的工作于野外的导航天线一般都带有玻璃钢或塑料材质的天线罩。给天线加装额外的天线罩除了会影响天线的电气性能以外，还会增大天线尺寸，增加天线成本。

另外，在高稳相的GNSS天线的构成中，通常都会有一些天线电路，比如微带贴片天线，为了得到相心稳定的圆极化方向图，通常都会采用多点馈电的方法。目前市面上最常见的是四点馈电，即是采用四根探针对天线辐射贴片进行馈电，而对这四根探针需要以幅度相等，相位按0°、-90°、-180°、-270°依次滞后的方式进行激励，为此，需要一个合适的信号分配电路。这个信号分配电路，又叫天线电路，通常是一张有微带电路的印制板。目前市面上常见的GNSS天线一般是将这个电路做在天线地板的另一侧，也就是没有天线的那一侧，这不仅使得天线的纵向尺寸增厚，同时，由于电路板也需要防水保护，这就给天线的防水耐候防护设计带来了更多的困难。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，希望提供了一种能够覆盖目前主要GNSS所用的、从1164MHz～1615MHz整个频段的、具有单一稳定相心的宽波束GNSS天线。

还希望所提供的GNSS天线不需要额外天线罩也可以保护其内部机构不受雨水以及其它外部因素的侵害，因而具有良好的防水耐候性能，适合野外工作。

还希望所提供的GNSS天线，能利用天线本身的结构为天线所需要的电路提供必要的防水和耐候保护，从而使天线的结构更为紧凑，因而具有更小的外轮廓尺寸。

根据本发明的实施例，提供的一种GNSS天线包括以下部分：介质体，金属探针，顶部的金属贴片，信号分配电路，金属底座以及信号输出端口。

由于介质体本身的介电常数与周边空气的不同，因此其边界对电磁波呈现不连续特性，由此带来的反射造成了介质内部存在不同的，离散的本征电磁场模式，这些电磁场模式从介质体中泄漏出去以后，形成了特定的天线辐射方向图。当天线用作接收时，则与此相反；介质体作为一个电磁波谐振器件，通过谐振耦合的方式接收外来的电磁波。对给定的工作频率，介质体本身的形状大小，特性参数，如介电常数、磁导率等，决定了介质体内部的本征电磁场模式，而馈电方式则能决定其中的哪些本征电磁场模式能被天线所用。当然，改变介质体周边的环境，例如在介质体的顶部放置一片金属贴片，也能改变介质体内部的本征电磁场模式，在本发明的实施例中，通过在介质体顶部放置一小片金属贴片得到了高度比较低矮的介质体。

需要说明的是，在介质体顶部放置金属贴片，馈电用的金属探针穿过介质体和金属贴片连接，这样的构成方式在形式上与常见的多馈电微带贴片天线非常相似，不过需要注意的一个事实是：通常微带贴片天线的频率特性是由金属贴片的形状及大小、金属贴片和金属地层之间的间距以及充塞其中的介质的诸如介电常数这样的电气特性所决定，而本发明所述的介质体天线的频率特性不光和这些因素有关，还和充塞在金属贴片和金属地层之间介质的大小和形状有关，如果把微带贴片天线也看作是一个谐振腔的话，那么这个谐振腔的边界是由贴片的边界来决定的，而介质体天线则取决于介质体边界。另外，熟悉天线专业的人士都知道，微带贴片天线如果去掉上面的金属贴片就会失去天线的功能，而介质体天线即便没有顶部的金属贴片仍然可以是一种天线，在后面的实施例中会有两种没有金属贴片的介质体天线实施例的说明。

和微带贴片天线相比，介质体天线中的介质更厚，这样对材料的损耗要求就降低了，可供选择的介质范围也因此扩大，诸如普通陶瓷、塑料、玻璃这类的电磁波损耗不是很大的材料均可选用，不一定非得使用专用于微波的低损耗介质材料，这样可以降低产品的制作成本。

在选用介质体天线用的介质材料时，需要选用那种具有具有防水耐候特性的材料，因为在天线设计中介质体需要兼作保护罩，象那些具有吸水性的材料就不适合用作本发明所述的介质体天线。

激励探针通常是一种柱状的金属细棒，用作从介质体中耦合出所需模式的电磁场功率，由于GNSS所需要的终端天线是一种圆极化天线，同时还需要在宽空域角度范围内有稳定的相位中心，因此在本发明的实施例中采用了四点馈电的方式，也就是用四根金属探针将介质体中耦合出来的电磁场以等幅、相位依次相差90°的方式进行合成输出，探针插在介质结构体内，因此介质体可以象天线罩那样为金属探针这样的馈电机构提供防水和耐候保护。如果介质体顶部有金属贴片，激励探针的上端需要和这个金属贴片连接。

金属探针的下端是和信号分配电路连接的，对四点馈电的天线，信号分配电路是由两个电桥和一个倒相功分器组成的网络，而对那些两点馈电的天线，信号分配电路就是一个电桥或简单的有90°相差的等幅功分器。信号分配电路通常是做在印制板上的微带电路，如果印制板上的空间允许，其上还可以制作其它的信号处理电路，比如放大电路等，这样天线就变成了所谓的有源天线。

印制板位于介质体的下面，其上的信号分配电路端口和天线的金属探针直接连接，介质体下面的金属地板一方面作为电磁波反射装置，使介质体辐射的方向图具有GNSS所需要的单向方向性，另一方面金属地板在与介质体结合时，内部形成密闭腔体，用于放置印制板电路。金属地板与介质体结合严密，由此可以保护天线内部的诸如金属探针、这样的机构免受雨水和其它外部因素的侵害。

作为天线射频信号输出端口的连接器安装在金属地板上，其内导体和天线中的印制板上的电路连接。

本发明的有益效果是：提供了一种能够覆盖1164MHz～1615MHz全频段的、宽波束的、具有单一稳定相心的GNSS天线构成方式，这使得使用北斗2、GPS、GLONASS、Galileo系统信号的用户只需标定一个空间几何点作为天线的相位中心，因而可以简化修正天线相位中心偏差的工作。将作为天线主体的介质体同时作为天线的保护罩，既可以保护天线的内部机构和电路，避免天线罩对天线性能的影响，又可以减小天线的外轮廓尺寸，还能降低产品的制造成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步说明。为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面附图中描述的仅仅是本发明中的一部分实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据对本发明中的描述形成其他的实施方案。

图1是本发明实施例一中介质体导航天线的结构示意图；

图2是实施例一中介质体导航天线分别在1180MHz和1580MHz频点处的主极化和交叉极化辐射方向图；

图3是实施例一中介质体导航天线四个探针端口的有源驻波；

图4是本发明实施例二中介质体导航天线的结构示意图；

图5是本发明实施例三中介质体导航天线的结构示意图。

图中：1介质体，2金属探针，3金属贴片，4电路板，5地板，6连接器。

具体实施方式

实施例一

参阅图1，在下面描述的介质体导航天线一种实施例中，所述的介质体导航天线具有一个用介质材料构成的介质体1，所述介质体1是一个实体的介质块，所述介质体1的形状是一块圆盘，圆盘上边沿倒圆角是为了使天线的外形美观，介质体1的顶部放置有金属贴片3，金属贴片3的放置位置、形状和大小，与介质体1的形状大小，也就是介质圆盘的直径和高度以及所选介质体1的介电常数(如果是磁性材料还和材料的磁导率有关)一起决定了能够得到如图2所示那样的宽波束的方向图。

为了得到具有稳定相位中心的圆极化方向图，本实施例采用将四根金属探针2插入介质体1中馈电的方式，金属探针2通常是细圆柱状的，当然采用其它形状的金属柱体也是可以的，金属探针2上端和金属贴片3连接，下端和电路板4中的电路连接，金属探针2的粗细以及在介质体1中的位置需要认真设计(通常是用电磁仿真软件来帮助完成这个工作的)，以达到在所需要的整个频段都具有如图3所示那样良好的驻波特性。

如果需要的GNSS天线为无源天线，所述电路板4即为一个等幅，但相位依次相差90°的一分四功分网络，用来将四根探针2从介质体1中耦合出来的电磁场功率合成右旋圆极化波信号，如果所需的GNSS天线为有源天线，电路板4中还要加入相应的放大电路。电路板4放置在介质体1和地板5结合一体时在其内部构成的一个封闭腔内，介质体1和地板5结合部位的结构需要专门的防水设计以保证介质体1与地板5结合以后天线的内部可以避免受到雨水和其它外部环境因素的侵害。被介质体1和地板5封闭其中的电路板4上的信号是通过安装在地板5上的连接器输出的。

实施例二

参阅图4，在下面描述的介质体导航天线另一种实施例中，所述的介质体导航天线在构成上和实施例一大致相似，所不同者在于实施例二中，介质体1顶部没有金属贴片，为此要得到类似图2那样的辐射方向图，和实施例一中的相比，介质体1的高度会更高，直径更小。这样可以得到横向尺寸更小的天线，如果此时所选用的金属地板尺寸也随之减小的话，天线的前后比会变差，为了改善这个情况，可以适当增大金属地板的尺寸。

实施例三

参阅图5，在下面描述的介质体导航天线另一种实施例中，所述的介质体导航天线在构成上和实施例二大致相似，所不同者在于实施例三中，介质体1内部是空心的，对于相同材质同一工作频率的介质体1，空心结构的外部尺寸会更大。由于介质体1内部是空心的，电路板4上的元器件一面可以朝向介质体1那面，地板5的结构会更简单。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以采用本技术领域公众熟知的技术对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。