CN104124522A - 一种小型化四馈点测量型天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化四馈点测量型的天线装置，包括：上层基板、下层基板、抑径板、同轴探针和信号处理电路；上层基板连接于下层基板的上表面，抑径板沿着下层基板周缘设置并与下层基板连接，信号处理电路设于下层基板的下方，上层基板的上表面设有上层贴片，下层基板的上表面设有下层贴片，上层贴片上设有四个馈点，每个馈点分别与一根所述同轴探针的一端连接。该天线装置是一种具有小型化、宽频带、高增益、良好轴比性能测量型双频有源天线的装置，能同时接收GPS、GLONASS、北斗等多星座卫星信号。改变传统的双层微带天线结构，实现四馈点馈电，使天线具有良好的天线相位中心稳定度和定位精度。

Description

一种小型化四馈点测量型天线装置

技术领域

本发明涉及一种天线装置，具体涉及一种小型化四馈点测量型的天线装置。

背景技术

由于卫星导航能够具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域，因此在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用，对国防安全和经济建设贡献巨大。以美国GPS((Global Positioning System，GPS))为代表的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。

随着卫星导航技术的广泛应用，对高精度测量的手持机设备的天线性能也提出了越来越高的要求，主要表现在：

(1)良好的右旋圆极化

GPS信号是由卫星从空间发送下来的，为了消除电离层对信号的法拉第旋转效应，信号采用的是右旋圆极化，因此，接收天线也应采用右旋圆极化方式。当GPS卫星信号被地面或建筑物等对称物体反射后，会变成左旋极化的交叉极化信号，多路径信号多是这种形式，所以右旋圆极化天线还能够抑制多路径干扰。由于圆极化天线存在交叉极化现象，所以应设法提高天线的交叉极化抑制能力。

(2)方向性

导航接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好，一般要求能够接收仰角5°以上的所有天空中的卫星信号。因此，天线在这个空间内要对卫星信号具有均匀的响应，当低于接收高度时，为抑制严重的多路径效应和对流层效应，天线响应要迅速截止。理想的GPS接收机天线在上半平面具有近似半球形的方向图，一般要求波瓣宽度≥120°，水平面附近的截止率大于1dB/度(从仰角－5°到5°)。在利用载波相位测量的接收机中，天线还应该具有均匀的相位响应，且相位中心要和天线几何中心吻合。

(3)有源放大

导航天线具有半球形的方向性，因此增益一般都很低。天线单元一般都由接收天线和低噪声前置放大器组成，放大器一般能够提供15～35dB的增益，许多导航天线直接采用有源天线设计。

(4)内外天线切换

天线小型化后，有些性能变差。当手持机设备处于严重遮挡、强干扰情况下甚至无法工作。为了解决这一问题，GNSS外置天线成了许多高端信号接收设备的必备装置，使得内置、外置天线切换装置在手持机设备上应用越来越广泛。

当前的天线装置普遍存在以下缺陷：1、当前，小型化微带贴片天线的频带比较窄，大多数天线只能接收单频信号，往往只能覆盖GPS的L1频段，GLONASS的G1频段，或者只是接收北斗的B1频段的信号。目前，多星座信号的接收是天线发展的趋势，导致天线频带窄的原因主要是由于天线单元结构设计，天线馈点位置的选择，滤波器的选择，电路的设计造成。2、馈电方式，大多数天线采用单馈电或者双馈点的方式馈电，该种馈电方式改变天线结构的对称性，使得天线相位中心不够稳定，天线的精度不够高。3、内外置天线切换电路使用微带线匹配传输，隔离度低，受外界影响较大。一部分切换电路采用软件控制电路，操作比较繁琐。4、天线内置接收机里面，总体天线信号信噪比较低，原因是天线天线内部电路噪声系数过大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种小型化四馈点测量型的天线装置，使该天线装置具有宽频带、高增益和相位中心稳定的功能，另外可接收多个星座的卫星信号，能实现帮助接收机快速定位的功能。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种小型化四馈点测量型的天线装置，包括：上层基板、下层基板、抑径板、同轴探针和信号处理电路，所述信号处理电路包括依次电性连接的移相电路、分频电路、滤波放大电路、异频合路电路、二级放大电路和增益控制电路；所述上层基板、下层基板、抑径板和信号处理电路依次从上至下设置，所述上层基板的上表面设有上层贴片，下层基板的上表面设有下层贴片，所述上层贴片上设有四个馈点，每个馈点分别与一根所述同轴探针的一端连接，四根所述同轴探针的另一端均依次穿过上层基板、下层贴片和下层基板并与移相电路电性连接，所述抑径板上设有一用于将信号处理电路所输出的信号通过线缆传输至一信号接收机的内置接口，所述内置接口与增益控制电路电性连接。

四个所述馈点均匀分布于一圆周上，该圆周的圆心与上层贴片的中点重合，分别将四根同轴探针记为第一同轴探针、第二同轴探针、第三同轴探针和第四同轴探针，移相电路包括第一电桥、第二电桥和第三电桥，第一同轴探针和第二同轴探针均与第一电桥电性连接，第三同轴探针和第四同轴探针均与第二电桥电性连接，第一电桥和第二电桥均与第三电桥电性连接，第三电桥与分频电路电性连接；

所述滤波放大电路包括第一滤波放大电路和第二滤波放大电路，所述第一滤波放大电路包括依次电性连接的第一前置滤波器、第一放大器和第一后置滤波器，第二滤波放大电路包括依次电性连接第二前置滤波器、第二放大器和第二后置滤波器，第一前置滤波器和第二前置滤波器分别与分频电路电性连接，第一后置滤波器和第二后置滤波器分别与异频合路电路电性连接。

所述抑径板上设有一用于与外部天线装置连接的外接天线接口，所述信号处理电路还包括用于内置天线和外置天线的切换的切换电路，所述切换电路包括合路器和电流检测控制电路，所述外接天线接口与电流检测控制电路电性连接，所述增益控制电路和电流检测控制电路分别与合路器的输入端电性连接，合路器的输出端与内置接口电性连接，所述电流检测控制电路用于当检测到外接天线接口中有电流时切断合路器中与增益控制电路的连接。

所述上层基板连接于下层基板的上表面且位于下层基板的投影内，所述抑径板沿着下层基板周缘设置并与下层基板连接。

所述上层贴片的周缘设有用于调节频点位置以补偿频率偏移的调谐齿块。

所述调谐齿块具有四个，四个调谐齿块沿着上层贴片的周缘均匀分布。

在所述上层贴片的中点位置设有一穿过上层基板、下层贴片和下层基板的短路探针。

所述抑径板上设有多个用于增强对多路径信号的抑制能力的抑径孔。

所述抑径板上设有多个用于将天线装置固定安装的安装孔。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：该天线装置是一种具有小型化、宽频带、高增益、良好轴比性能测量型双频有源天线的装置，能同时接收GPS、GLONASS、北斗等多星座卫星信号。改变传统的双层微带天线结构，实现四馈点馈电，使天线具有良好的天线相位中心稳定度和定位精度。使用了具有超低噪声的放大器，使整体电路的噪声系数较低，天线装置具有较高的信噪比性能。通过采用电流检测控制电路与合路器的设计方式实现内外置天线的切换，操作简单，隔离度高，内置信号不受引线的影响。

附图说明

图1为本发明的小型化四馈点测量型的天线装置的结构俯视图。

图2为本发明的图1中的A-A截面图。

图3为本发明的小型化四馈点测量型的天线装置的电路图。

其中：1、上层基板；2、下层基板；3、抑径板；4、上层贴片；5、下层贴片；6、内置接口；7、外接天线接口；11、第一同轴探针；12、第二同轴探针；13、第三同轴探针；14、第四同轴探针；21、调谐齿块；22、短路探针；23、抑径孔；24、安装孔；101、第一电桥；102、第二电桥；103、第三电桥；104、分频电路；105、异频合路电路；106、放大器；107、增益控制电路；108、合路器；109、电流检测控制电路；201、第一前置滤波器；202、第一放大器；203、第一后置滤波器；204、第二前置滤波器；205、第二放大器；206、第二后置滤波器。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

图1-3示出了本发明的优选实施例，一种小型化四馈点测量型的天线装置，包括：上层基板1、下层基板2、抑径板3、同轴探针和信号处理电路，上层基板1连接于下层基板2的上表面，下层基板2的表面面积大于上层基板1的表面面积且上层基板1的中点与下层基板2的中点重合，抑径板3沿着下层基板2周缘设置并与下层基板2连接，信号处理电路设于一电路板上，该电路板设于下层基板2的下方。上层基板1和下层基板2选用高介电常数、低正切损耗角的射频微波板材，这种微波板材可以使得天线小型化，使得适合越来越小型化的手持式接收机设备。

上层基板1的上表面设有上层贴片4，下层基板2的上表面设有下层贴片5，上层基板1的周缘设有金属包边，使上层贴片4和下层贴片5电性导通，下层基板2和下层贴片5的设置可以扩展该天线装置的频带宽度，进而可以同时接收GPS、GLONASS、北斗等多星座卫星信号。

同轴探针具有四根，分别记为第一同轴探针11、第二同轴探针12、第三同轴探针13和第四同轴探针14，围绕着上层贴片4的中点在上层贴片4上设有四个馈点，四个馈点均匀分布于一圆周上，圆周的中点与上层贴片4的中点重合，四个馈点连接形成一正方形，分别沿着四个馈点位置垂直向下在上层基板1和下层基板2开有金属化孔，四根同轴探针分别穿过四个金属化孔，四根同轴探针的一端分别与上层贴片4上的四个馈点连接。四个馈点的位置具有良好的对称性，能使天线装置的相位中心与其结构的几何中心重合，进而提高天线装置的相位中心稳定度和定位精度，这有别于传统的天线结构。四个馈点的位置可以产生双频卫星信号，这种卫星信号具有高增益，良好轴比性能，圆极化辐射的特点，其中第一同轴探针11和第二同轴探针12传输一种频率的卫星信号，第三同轴探针13和第四同轴探针14传输另一种频率的卫星信号。

抑径板3上设有内置接口6，信号处理电路包括包括依次电性连接的移相电路、分频电路104、滤波放大电路、异频合路电路105、二级放大电路和增益控制电路107，其中移相电路包括第一电桥101、第二电桥102和第三电桥103，滤波放大电路包括第一滤波放大电路和第二滤波放大电路，第一滤波放大电路包括依次电性连接的第一前置滤波器201、第一放大器202和第一后置滤波器203，第二滤波放大电路包括依次电性连接第二前置滤波器204、第二放大器205和第二后置滤波器206，二级放大电路包括放大器106。第一放大器202和第二放大器205均为超低噪声的放大器，目前大多数天线装置的信噪比过低，是由于电路内部噪声系数过大，降低电路的噪声系数有利于提高天线的整体信噪比，因此超低噪声的放大电路大大降低电路中的噪声系数。

第一同轴探针11和第二同轴探针12所传输的卫星信号记为L1，第三同轴探针13和第四同轴探针14所传输的卫星信号记为L2，卫星信号L1输入至第一电桥101进行移相，卫星信号L2输入至第二电桥102进行移相，经过第一电桥101和第二电桥102的信号传输至第三电桥103进行移相，三个电桥均能进行90度相位差移相，而上述相邻馈点信号有90度相位差，因此信号经过三个电桥的移相后相位保持一致。从第三电桥103输出的信号经过分频电路104把信号分成信号A1和信号A2，信号A1依次经过第一前置滤波器201进行滤波，第一放大器202进行放大和第一后置滤波器203进行再滤波，然后传输至异频合路电路105，信号A2依次经过第二前置滤波器204进行滤波，第二放大器205进行放大和第二后置滤波器206进行再滤波，然后传输至异频合路电路105，异频合路电路105将A1和A2两路信号合为一路信号输出至放大器106，经过放大器106放大的信号输入至增益控制电路107将信号增益调整至信号接收机所需的增益大小，经过增益控制电路107调整的信号通过内置接口6传输至一信号接收机中。

进一步地，抑径板3上还设有外接天线接口7，在增益控制电路107和内置接口6之间增加一切换电路，切换电路包括合路器108和电流检测控制电路109，增益控制电路107和电流检测控制电路109分别与合路器108的输入端电性连接，合路器108的输出端与内置接口6电性连接，外接天线接口7与电流检测控制电路109电性连接。当外接天线接口7与外接天线装置连接后，电流检测控制电路109便能检测到外接天线接口7有电流，然后切断合路器108中与增益控制电路107的连接，即切断本发明天线装置的电流，从而使用外置天线装置通过内置接口6向信号接收机输出信号，实现外置天线装置的切换。

进一步地，上层贴片4的周缘设有调谐齿块21，调谐齿块21具有四个，四个调谐齿块21沿着上层贴片4的周缘均匀分布，调谐齿块21用于调节频点位置以补偿频率偏移。

进一步地，在上层贴片4的中点位置设有一穿过上层基板1、下层贴片5和下层基板2的短路探针22，短路探针22用于扩展天线装置带宽和增加天线装置的稳定性。

进一步地，抑径板3上设有多个用于增强对多路径信号的抑制能力的抑径孔23，抑径板3上还设有四个用于将天线装置固定安装的安装孔24。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，包括：上层基板、下层基板、抑径板、同轴探针和信号处理电路，所述信号处理电路包括依次电性连接的移相电路、分频电路、滤波放大电路、异频合路电路、二级放大电路和增益控制电路；所述上层基板、下层基板、抑径板和信号处理电路依次从上至下设置，所述上层基板的上表面设有上层贴片，下层基板的上表面设有下层贴片，所述上层贴片上设有四个馈点，每个馈点分别与一根所述同轴探针的一端连接，四根所述同轴探针的另一端均依次穿过上层基板、下层贴片和下层基板并与移相电路电性连接，所述抑径板上设有一用于将信号处理电路所输出的信号通过线缆传输至一信号接收机的内置接口，所述内置接口与增益控制电路电性连接。

2.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，四个所述馈点均匀分布于一圆周上，该圆周的圆心与上层贴片的中点重合，分别将四根同轴探针记为第一同轴探针、第二同轴探针、第三同轴探针和第四同轴探针，移相电路包括第一电桥、第二电桥和第三电桥，第一同轴探针和第二同轴探针均与第一电桥电性连接，第三同轴探针和第四同轴探针均与第二电桥电性连接，第一电桥和第二电桥均与第三电桥电性连接，第三电桥与分频电路电性连接；

所述滤波放大电路包括第一滤波放大电路和第二滤波放大电路，所述第一滤波放大电路包括依次电性连接的第一前置滤波器、第一放大器和第一后置滤波器，第二滤波放大电路包括依次电性连接第二前置滤波器、第二放大器和第二后置滤波器，第一前置滤波器和第二前置滤波器分别与分频电路电性连接，第一后置滤波器和第二后置滤波器分别与异频合路电路电性连接。

3.根据权利要求1或2所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述抑径板上设有一用于与外部天线装置连接的外接天线接口，所述信号处理电路还包括用于内置天线和外置天线的切换的切换电路，所述切换电路包括合路器和电流检测控制电路，所述外接天线接口与电流检测控制电路电性连接，所述增益控制电路和电流检测控制电路分别与合路器的输入端电性连接，合路器的输出端与内置接口电性连接，所述电流检测控制电路用于当检测到外接天线接口中有电流时切断合路器中与增益控制电路的连接。

4.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述上层基板连接于下层基板的上表面且位于下层基板的投影内，所述抑径板沿着下层基板周缘设置并与下层基板连接。

5.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述上层贴片的周缘设有用于调节频点位置以补偿频率偏移的调谐齿块。

6.根据权利要求5所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述调谐齿块具有四个，四个调谐齿块沿着上层贴片的周缘均匀分布。

7.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，在所述上层贴片的中点位置设有一穿过上层基板、下层贴片和下层基板的短路探针。

8.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述抑径板上设有多个用于增强对多路径信号的抑制能力的抑径孔。

9.根据权利要求1所述的小型化四馈点测量型的天线装置，其特征在于，所述抑径板上设有多个用于将天线装置固定安装的安装孔。