[发明专利]GNSS多频卫星导航天线

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及高增益GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统)天线，适用于中小型卫星或者中小型工作平台上高精度全球导航卫星系统应用。

背景技术

卫星导航是现今被广泛应用的导航方式，在军事和民用领域都发挥着重要作用。目前各个国家或地区都在致力于研究有自主知识产权的卫星导航系统。随着各导航系统的发展，多系统并存、多模兼容的进程进一步加快，传统的单一的系统时代（GPS系统时代）正在转变为各个导航系统兼容并存的GNSS时代，在不久的将来，GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统将实现全球覆盖，而这四大系统共同构成了全球导航卫星系统，其工作频率包括：GPS-L1、L2、L5，GLONASS-L1、L2，GALILEO-E1、E5a、E5b，COMPASS-B1、B2、B3，主要分布在1.16～1.28GHz和1.55～1.61GHz。所以，GNSS天线必须覆盖这两个频段。

另一方面，随着Galileo、Compass卫星不断地投入运行，预计到2020年（届时GLONASS、Galileo、Compass实现全球覆盖）在轨的全球导航卫星多达119颗（含在轨的备用卫星）。根据伪距单点定位原理——至少需要4颗卫星才能实现单点定位——只需充分利用天顶附近的卫星即可实现良好的定位性能。因此，GNSS天线的另一个发展趋势是方向图的截止角逐渐往天顶方向偏移，即是方向图比起单一GPS天线要窄，也意味着天线的增益提高。它带来的另一个好处是在一定程度上避免了水平面附近的噪声干扰。

对于导航系统，地面接收天线与卫星之间的链路要求天线在频带内具有良好的轴比性能和半球形方向图。谐振式四臂螺旋天线因其损耗小、重量轻、具有半球形覆盖性能和良好的圆极化性能而成为导航应用的最佳选择。然而传统的谐振式四臂螺旋在谐振时带宽只有5%～8%，显然无法完全覆盖GNSS的所有工作频率。在过去的几十年里，展宽四臂螺旋天线的带宽或者使四臂螺旋工作在双频、多频的技术方法相继被提出。比如：将工作于不同频率的两副结构类似的天线以嵌套的方式或者级联方式共轴安装使两者组合为一个整体结构；在螺旋臂适当位置添加一个LC电路，使之再产生另外一个谐振点；采用多臂形式——这些方法都可以使四臂螺旋双频或多频工作。而采用螺旋臂渐变的形式可以使四臂螺旋天线在L波段的带宽展宽到14%；采用圆锥结构则可以到达18.5%；采用折合螺旋臂可以使带宽达到30%，然而它并不能覆盖GPS-L5、Galileo-E5a频段，而且增益较低，最大增益约3.2dB。所以亟需一种更有效的方法使四臂螺旋天线能够覆盖GNSS的所有频点且在这些频点上具有较高的增益。

发明内容

本发明的目的在于克服现有导航天线工作频带窄、增益低的问题，提供一种双臂渐变、高增益双频段圆锥四臂螺旋天线，可满足GNSS高精度导航的需求。

本发明是这样实现的：

一种GNSS多频卫星导航天线，包括锥台、覆盖在锥台表面的柔性介质、印制在柔性介质表面的四个辐射体、第二连接体和连接在锥台底部的介质板；所述介质板下层为功分器，介质板上层为金属层构成的辐射地板，辐射体通过第二连接体与功分器连接。

所述辐射体由主臂、副臂、金属贴片和第一连接体构成，副臂通过第一连接体和主臂连接，主臂的输入端沿锥台表面设置有金属贴片；所述第二连接体一端与第一连接体连接，另一端与功分器的输出端焊接。

所述锥台的锥角为25°～30°，锥台的高度为中心频率的0.35～0.40倍波长。

所述主臂的臂宽是渐变的，其结构由主臂方程决定，靠近锥台下底面的臂宽w为10～15mm；沿着锥台往上，臂宽逐渐变细，臂宽分别为w、w₁、w₂、n，2mm≤w₁≤4mm，2mm≤w₂≤3mm，且w₂≤w₁，0.9≤n≤1.1；

主臂方程：

主臂下包络线方程：

主臂上包络线方程：