CN101521311B - 一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线 - Google Patents

Abstract

一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其制作步骤为：首先确定天线的工作频率、驻波比、增益等指标参数，选择或设计一个普通的贴片天线，在其底部安装一块合适大小的金属地板作为支撑结构；根据已知参数，利用HFSS软件设计电磁带隙结构的各个参数，并采用现有技术对电磁带隙结构进行制作；在电磁带隙结构中心位置切割出一个圆形区域，并用导电胶将电磁带隙结构粘贴在金属地板表面并固化，使贴片天线与电磁带隙结构表面相齐平；一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线设计完成；本发明制作的天线是一种低仰角高增益天线，通过设计电磁带隙结构和采用新型安装方法，抑制了表面波传播，提高了天线的低仰角增益。

Description

一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线

技术领域

本发明涉及一种低仰角性能优良的导航天线，特别涉及一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的低仰角增益高的导航天线。

技术背景

宽波束导航天线是一种主要用于接收卫星导航信号的天线，这种天线的波束覆盖范围宽(方位角0°～360°、仰角5°～90°)，即宽波束导航天线要求在方位角0°～360°、仰角5°～90°范围内保持很好的覆盖，但在仰角5°～90°整个范围内都获得较高的功率增益和圆极化性能是天线设计的难题。普通贴片天线馈电结构简单，但受表面波的影响，低仰角增益不高，很难满足卫星导航的要求。电磁带隙结构是一种人造的周期结构，存在明显的频率禁带特性，能够控制电磁波的传播，引起人们的普遍关注。

根据检索发现，目前国内外学者大多关注电磁带隙结构的设计方法及其特性研究，还未见到将电磁带隙结构设计和安装方法相结合进行研究的报道，本发明将电磁带隙结构和新型安装方法相结合，并应用于设计导航天线，以达到展宽天线波束宽度的目的，满足新一代卫星导航的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，该天线具有低仰角、高增益的性能。

本发明采用的技术方案：一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其制作步骤如下：

第一步，根据需要确定宽波束导航天线参数，包括工作频率、驻波比、增益指标；

第二步，选择或设计圆极化贴片天线，在圆极化贴片天线底部安装金属地板作为支撑结构，并采用导电胶将所述圆极化贴片天线粘贴在所述金属地板表面中央并固化；

第三步，根据第一步所确定的宽波束导航天线参数，制作电磁带隙结构；

第四步，在所述的电磁带隙结构中央切割出一个圆形区域，并采用导电胶将所述电磁带隙结构粘贴在所述金属地板表面并固化，从而完成了采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线的制作。

所述第二步中所选择或设计的贴片天线为矩形或切角矩形。

所述第二步中的圆极化贴片天线的馈电结构由贴片和通孔组成，其实现方法为：选择与通孔大小相匹配的同轴线对贴片进行馈电，将同轴探针的一端通过通孔焊接到贴片上，另一端从通孔下方伸出，同轴线外导体焊接到通孔壁上。

所述第二步中圆极化贴片天线与金属地板为无缝结合，导电性能好，以保证贴片天线的表面波能够传播到金属地板表面。

所述第三步中的电磁带隙结构由接地板、介质基片、金属贴片和金属过孔组成，金属贴片与接地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围为介质基片，并根据宽波束导航天线的工作频率f、介质基片的介电常数ε_r和厚度h，采用HFSS优化设计出电磁带隙结构。

所述第三步中的电磁带隙结构的物理大小与金属地板的大小相一致，所述的物理大小是指：因为电磁带隙结构是对介质基片制版而得，物理大小是指介质基片的边长。

所述第三步中的电磁带隙结构是采用双面覆铜的印制电路板材料作为原材料，通过制版技术制作而成。

所述第三步中的圆极化贴片天线与电磁带隙结构表面相齐平。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

(1)本发明所设计的贴片天线安装在金属地板上，电磁带隙结构制作在金属地板上，将表面电流引向金属地板使其在金属地板表面传播，同时利用电磁带隙结构来抑制其在表面传播，提高了低仰角增益，因此本发明具有低仰角(5度～20度仰角)、高增益(20度仰角增益大于-2dB，5度仰角增益大于-5dB)的性能。

(2)此外，本发明所设计的天线无需对普通贴片天线设计尺寸进行改变，损耗低、重量轻、结构简单、便于设计和加工；贴片天线和电磁带隙结构材料均采用双面覆铜板制成，厚度薄；同时核心制作工艺与大规模集成电路板制造技术相兼容，制作成本低，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例中圆极化贴片天线和电磁带隙结构正面示意图；

图2是本发明实施例中电磁带隙结构正面放大示意图；

图3是本发明实施例中所设计的天线整体结构剖面示意图；

图4是本发明实施例采用和未采用电磁带隙结构的情况下驻波比对比图；

图5是本发明实施例采用和未采用电磁带隙结构的情况下增益对比图；

图6是本发明实施例采用和未采用电磁带隙结构的情况下轴比对比图；

图中：1为圆极化贴片天线，2为金属贴片，3为金属过孔，4为同轴探针，5为介质基片，6为金属地板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下列实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

本发明实施具体步骤如下：

(1)根据需要确定宽波束导航天线参数，包括工作频率、驻波比、增益指标；

可以根据用户需要确定宽波束导航天线参数，包括工作频率、驻波比、增益指标，本实施例根据需要确定宽波束导航天线的工作频率为1.575GHz，驻波比小于1.5，20度仰角增益大于-2dB，5度仰角增益大于-5dB；

(2)选择一个普通的圆极化贴片天线1，在其底部安装一块金属地板作为支撑结构，并用导电胶将圆极化贴片天线1粘贴在金属地板6表面中央，并固化如图1所示，使圆极化贴片天线1与金属地板6无缝结合，这样导电性能好，以保证圆极化贴片天线1的表面波能够传播到金属地板6表面。

圆极化贴片天线1的馈电结构由贴片和通孔组成，其具体实现方法为：选择与通孔大小相匹配的同轴线对贴片进行馈电，将同轴探针4的一端通过通孔焊接到贴片上，另一端从通孔下方伸出，同轴线外导体焊接到通孔壁上，如图3所示。

(3)根据步骤(1)所要求的天线参数，利用HFSS软件优化设计并计算得到电磁带隙结构的各个参数。

电磁带隙结构是采用双面覆铜的印制电路板材料作为原材料，通过制版技术制作而成。选择Arlon公司的AR 450的双面覆铜高频PCB板作为原材料，其介电常数为4.39，厚度为1.524mm，该材料上下表面均为34μm的覆铜板。利用HFSS软件对电磁带隙结构进行参数化建模，仿真频率设为1.575GHz，计算得到电磁带隙结构的禁带特性。利用等效电容估算公式 $C=\frac{W({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_r)}{\mathrm{\π}}{\cosh }^{-1}\left(\frac{2W+g}{g}\right)$ 和等效电感估算公式L＝μh，其中ε₀为真空介电常数，μ为磁导率。将工作频率f＝1.575GHz、介质基片的介电常数ε_r＝4.39和厚度h＝1.524mm代入公式，计算出金属贴片4的边长W的初值为63.13mm和金属贴片4的间隔g的初值为0.49mm。在HFSS中建立EBG结构模型，微调金属贴片4的边长W和金属贴片4的间隔g，并进行协同优化，使电磁带隙结构的禁带中心频率位于1.575GHz，最终得到电磁带隙结构的设计参数。优化设计的正方形金属贴片4的边长W为63mm，相邻金属贴片4的间隔g为0.5mm，金属过孔3的半径为0.433mm。图1为电磁带隙结构正面示意图，图2为电磁带隙结构正面放大示意图，图3为电磁带隙结构侧面示意图。电磁带隙结构由接地板、介质基片5、金属贴片2和金属过孔3组成，金属贴片2与接地板之间由金属过孔3连接，金属过孔3周围为介质基片5，如图2和图3所示。

电磁带隙结构的物理大小与金属地板6的大小相一致，因为电磁带隙结构是由介质基片5制版而得，物理大小是指介质基片5的边长。

电磁带隙结构共由7×7个正方形金属贴片4组成。电磁带隙结构和金属地板6的边长均为444mm。

(4)在电磁带隙结构中央切割出一个圆形区域(半径为90mm～100mm)，并用导电胶将电磁带隙结构粘贴在金属地板6表面并固化，一种工作频率为1.575GHz，驻波比小于1.5，20度仰角增益大于-2dB，5度仰角增益大于-5dB的电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线制作完成。

图4为采用和未采用电磁带隙结构的情况下驻波比对比图，由图4可见本发明采用电磁带隙结构后的相对带宽由1.27％增加至1.71％；图5为采用和未采用电磁带隙结构的情况下增益对比图，由图5所见，本发明采用电磁带隙结构后的20度仰角增益由-3.5dB增加至-1.7dB，5度仰角增益由-7.0dB增加至-4.6dB；图6为采用和未采用电磁带隙结构的情况下轴比对比图，由图6所见，本发明采用电磁带隙结构后的20度仰角轴比由9.8dB减小至0.5dB，5度仰角轴比由10.7dB减小至1.0dB。

Claims (9)

1.一种采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于制作步骤如下：

第一步，根据需要确定宽波束导航天线参数，包括工作频率、驻波比、增益指标；

第二步，选择或设计圆极化贴片天线，在圆极化贴片天线底部安装金属地板作为支撑结构，并采用导电胶将所述圆极化贴片天线粘贴在所述金属地板表面中央并固化；

第三步，根据第一步所确定的宽波束导航天线参数，制作电磁带隙结构；

第四步，在所述的电磁带隙结构中央切割出一个圆形区域，并采用导电胶将所述电磁带隙结构粘贴在所述金属地板表面并固化，从而完成了采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线的制作。

2.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第二步中所选择或设计的贴片天线为矩形或切角矩形。

3.根据权利要求1或2所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第二步中的圆极化贴片天线的馈电结构由贴片和通孔组成，其实现方法为：选择与通孔大小相匹配的同轴线对贴片进行馈电，将同轴探针的一端通过通孔焊接到贴片上，另一端从通孔下方伸出，同轴线外导体焊接到通孔壁上。

4.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第二步中圆极化贴片天线与金属地板为无缝结合。

5.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第三步中的电磁带隙结构由接地板、介质基片、金属贴片和金属过孔组成，金属贴片与接地板之间由金属过孔连接，金属过孔周围为介质基片，并根据宽波束导航天线的工作频率f、介质基片的介电常数ε_r和厚度h，采用HFSS优化设计出电磁带隙结构。

6.根据权利要求5所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：采用HFSS优化设计出电磁带隙结构的方法如下：

a.利用等效电容估算公式 $C=\frac{W({\mathrm{\ϵ}}_0+{\mathrm{\ϵ}}_r)}{\mathrm{\π}}\cos h^{-1}\left(\frac{2W+g}{g}\right)$ 和等效电感估算公式L＝μh，其中ε₀为真空介电常数，μ为磁导率，将工作频率f、介质基片的介电常数ε_r和厚度h代入公式中，计算出金属贴片边长W和金属贴片间隔g的初值；

b.在HFSS中建立EBG结构模型，微调金属贴片边长W和金属贴片间隔g，并进行仿真，优化EBG结构禁带特性，最终优选出满足禁带指标要求的W和g。

7.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第三步中的电磁带隙结构的物理大小与金属地板的大小相一致。

8.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第三步中的电磁带隙结构是采用双面覆铜的印制电路板材料作为原材料，通过制版技术制作而成。

9.根据权利要求1所述的采用电磁带隙结构及其新型安装方法的宽波束导航天线，其特征在于：所述第三步中的圆极化贴片天线与电磁带隙结构表面相齐平。

Images