CN101740870B - 小型化单馈电点双频双极化微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及小型化单馈电点双频双极化微带天线，在衬底基板上表面设有第一辐射贴片和第二辐射贴片，第一辐射贴片和第二辐射贴片为在对角位置对称切角的切角贴片，第二辐射贴片为环状，第一辐射贴片位于第二辐射贴片中空内且两者具有相同的中心；在衬底基板下表面设有导电接地板；在衬底基板上竖直穿过有同轴探针馈电，同轴探针馈电与第一辐射贴片直接连接发生电耦合，第二辐射贴片与第一辐射贴片相互电磁耦合。本发明实现了双频圆极化，具备体积小、低剖面、制作工艺简单、成本低的特点，同时也具有良好的轴比带宽和较高的低仰角增益，可用于高性能卫星导航系统接收机。同时，满足车载设备对天线体积和重量的限制。
Description
技术领域
本发明涉及一种天线，尤其涉及微波通讯中使用的一种小型化单馈电点双频双极化微带天线，属于通信技术领域。
背景技术
在实际应用中，往往需要能在多频段工作的天线，如导航系统接收机，通信电台的收发共用天线，跳频工作的雷达和通信设备及某些频率捷变和极化捷变的天线等。圆极化微带天线更是广泛地应用于卫星导航系统接收机。随着卫星导航技术在社会各个领域的广泛应用，人们对GPS天线的性能提出了更高的要求：
1、宽波束及良好的低仰角性能。GPS接收机要实现高精度定位，就需要同时接收多颗卫星的导航信号，这就要求天线具备宽波束的特点。具体说来，就是在仰角大于5度的空间内都能很好地接收卫星信号。
2、高增益。采用高增益天线接收卫星信号是提高GPS接收机定位精度的有效途径。
3、圆极化。考虑到GPS卫星发射的是圆极化电磁波，因此天线应该工作在圆极化状态以达到良好的极化匹配。
4、多频点工作。为了使接收机兼容不同导航系统发出的导航信号，经常要求天线能够同时接收两个或者多个频点的电磁波。
5、小型化，轻型化，结构紧凑。由于GPS接收机具有不同的应用场合，如手持设备或者车载设备，因此对天线有着严格的体积、重量限制，同时要求天线具备紧凑的空间结构。
然而，目前微带天线实现双频段工作的基本方式主要采用以下两类：多片法和单片法。多片法利用谐振频率不同的多个贴片相应地放在叠在一起的基板上，通常将较大的贴片放在下面的基板上，较小的贴片放在上面的基板上。但这将使天线的纵向高度增加，易于引起表面波的产生，从而降低天线的辐射效率；同时也增加工艺难度，增加制作成本。单片法则利用一个贴片的不同模式同时工作，或利用加载来形成几个不同的谐振频率，虽然这可以保持低的剖面，但平面占用面积较大，不利于小型化。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提出一种体积小、低剖面、辐射效率高、制作工艺简单并且具有宽频带双频双极化的微带天线。
本发明的技术方案是这样实现的：小型化单馈电点双频双极化微带天线，它包括衬底基板，在衬底基板上表面设有辐射贴片，在衬底基板下表面设有导电接地板；在衬底基板上竖直穿过有同轴探针馈电，同轴探针馈电下端与同轴射频接头连接，上端与辐射贴片电耦合；本发明的改进在于：所述辐射贴片由方形的第一辐射贴片和第二辐射贴片构成，第二辐射贴片为环状，第一辐射贴片位于第二辐射贴片中空内且两者具有相同的中心，第一辐射贴片和第二辐射贴片具有相同的垂直平分线；同轴探针馈电与第一辐射贴片直接连接发生电耦合，第二辐射贴片与第一辐射贴片相互电磁耦合。
进一步地，第一辐射贴片和第二辐射贴片均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角为等腰直角三角形。
第一辐射贴片的切角位置和第二辐射贴片的切角位置交错设置。
第一辐射贴片和同轴探针馈电的耦合点位于第一辐射贴片的垂直平分线上。
本发明结合了传统的实现双频段工作的两种方式，提出了一种新颖的单层双片结构，使天线很好的实现双频圆极化特性。因此本天线在要求的工作频点上具备体积小、低剖面、制作工艺简单、成本低的特点，同时也具有良好的轴比带宽和较高的低仰角增益，可用于高性能卫星导航系统接收机。同时，满足车载设备对天线体积和重量的限制。
附图说明
图1-本发明第一辐射贴片示意图；
图2-本发明第二辐射贴片示意图；
图3-本发明单馈电点双频双极化微带天线俯视图；
图4-图3A-A横截面示意图；
图5-本发明双频双极化微带天线回波损耗特性图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图3和图4，本发明单馈电点双频双极化微带天线，它包括衬底基板7，衬底基板7可用陶瓷介质基板或有机介质基板。在衬底基板7上表面设有第一辐射贴片1和第二辐射贴片2，在衬底基板7下表面设有导电接地板8和同轴射频接头9。第一辐射贴片1、第二辐射贴片2和导电接地板8由导电材料构成。第一辐射贴片1为方形实心贴片，第二辐射贴片2为方形环状贴片，第一辐射贴片1位于第二辐射贴片2中空内且两者具有相同的中心，第一辐射贴片和第二辐射贴片具有相同的垂直平分线。在衬底基板7上设有同轴探针馈电6，同轴探针馈电6通过通孔从衬底基板7下表面的导电接地板8直接连接到衬底基板7上表面的第一辐射贴片1并发生电耦合，同轴探针馈电6下端与同轴射频接头9连接。第二辐射贴片与第一辐射贴片的间距5以使两者相互产生电磁耦合，而不是直接与上述同轴探针馈电6电耦合。
第一辐射贴片1的中心点、第二辐射贴片2的中心点和第一辐射贴片1和同轴探针馈电6的耦合点位于方形切角贴片未切角时正方形的垂直平分线上。
进一步地，第一辐射贴片1和第二辐射贴片2均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角3、4为等腰直角三角形，见图1和图2。其中斜线阴影部分为涂覆导电金属材料部分，可以是Ag、Cu等材料，通过平面印刷工艺或者光刻腐蚀工艺制作，也可采用LTCC(低温共烧陶瓷)技术工艺实现。并且第一辐射贴片的切角位置和第二辐射贴片的切角位置交错设置，见图3。
本单层基板的介电常数εr较佳为4.4。同轴探针馈电6由电讯号直接耦合的方式予以激发第一辐射贴片1及间接耦合的方式激励第二辐射贴片2，其中第二辐射贴片天线负责接收及传送低频段讯号(预设为2.7GHz)，第一辐射贴片天线负责接收及传送高频段讯号(预设为3.2GHz)。
参考图1所示，第一辐射贴片1的边长为l(l1，l1)并且在馈电点处被馈电。第一辐射贴片天线的谐振频率基本上由贴片的边长l(l1，l1)来决定。当上述天线的波长为λ的时候，第一辐射切角贴片的边长l(l1，l1)为λ/2。
在本发明中，上述第一辐射贴片的两个对角被以边长为S1的等腰直角三角形的形式所切掉。由于方形被切角，从馈电点到方形切角贴片两边的电长度不相等，因此将有两种谐振模式被获得，通过调整切角在方形的位置，可以得到两种幅度相等，互相垂直正交，相位相差90度的电磁波，从而实现不同的圆极化方式，如左旋圆极化或右旋圆极化。通过调整切角边长S1，S2，可以得到良好的圆极化轴比。
参考图1、图2和图3所示，双频带的谐振频率的阻抗匹配可通过调节同轴探针馈电6的位置来实现。另外，第二辐射贴片2的中心处为中空，故使用者也可适当调整第二辐射贴片环2的宽度，从而达到阻抗匹配目的。一般而言，环的宽度愈窄则第二辐射贴片2的阻抗愈高。由于第二辐射贴片2的中间为中空，第一辐射贴片1可置于第二辐射贴片2的中空处以达到节省电路面积的目的。
众所皆知，天线的工作频带宽度与天线衬底基板7厚度有关。因此，参考图3所示，为了得到使用者需要的频带宽度，可适当调节衬底基板7厚度。一般而言，衬底基板厚度跟频带宽度成正比。但从物理意义上说，增大衬底基板的厚度，即增大微带贴片四周缝隙的宽度，从而增加了从谐振腔中辐射出的能量。但是厚度的增加会激励起更多的表面波模式，虽然表面波损耗也会降低Q值，但同时也降低了需要方向上的辐射，并且会改变天线的方向特性，因此基片厚度的增加只能在一定程度上进行，应折中考虑。
按上述实现思想，作为一个实施例的微带天线参数如下：h＝1.6mm，l1＝18.6mm，l2＝50.4mm，S1＝1.2mm，S2＝4mm，d＝4.5mm，w＝0.15mm，其中h为衬底基板厚度。上述天线的回波损耗曲线如图5所示，在2.75GHz和3.15GHz处同时出现两个谐振频率，谐振峰强度分别为-17.37dB和-21.25dB，均能满足天线工作要求。
当然，通过对衬底基板材料特性、辐射贴片面积、同轴探针馈电的位置和衬底基板高度等参数的调整，也可以使天线的谐振频率和阻抗达到其他设计指标要求，形成既是效率高，增益大，方向性好的天线，可用于高性能卫星导航系统接收机，同时，满足车载设备对天线体积和重量的限制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.小型化单馈电点双频双极化微带天线，它包括衬底基板（7），在衬底基板上表面设有辐射贴片，在衬底基板下表面设有导电接地板（8），在衬底基板上竖直穿过有同轴探针馈电（6），同轴探针馈电（6）下端与同轴射频接头（9）连接，上端与辐射贴片电耦合，其特征在于：所述辐射贴片由方形的第一辐射贴片（1）和第二辐射贴片（2）构成，第一辐射贴片（1）为方形实心贴片，第二辐射贴片（2）为方形环状贴片，第一辐射贴片（1）位于第二辐射贴片（2）中空内且两者具有相同的中心，第一辐射贴片（1）和第二辐射贴片（2）具有相同的垂直平分线，同轴探针馈电（6）与第一辐射贴片（1）直接连接发生电耦合，第二辐射贴片（2）与第一辐射贴片（1）相互电磁耦合；
第一辐射贴片（1）和第二辐射贴片（2）均为在对角位置对称切角的切角贴片，其中切角（3，4）为等腰直角三角形。
2.根据权利要求1所述的小型化单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于：第一辐射贴片（1）的切角位置和第二辐射贴片（2）的切角位置交错设置。
3.根据权利要求1或2所述的小型化单馈电点双频双极化微带天线，其特征在于：第一辐射贴片（1）和同轴探针馈电（6）的耦合点位于第一辐射贴片（1）的垂直平分线上。
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