CN102013551B

CN102013551B - 一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线

Info

Publication number: CN102013551B
Application number: CN 201010283707
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 王晓欣; 章秀银
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2010-09-15
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-09-15
Also published as: CN102013551A

Abstract

本发明公开一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，包括包括上层微带天线辐射体、上层介质基板，中层介质基板、下层馈电带状线和同轴馈电线。下层馈电带状线由介质基板层、附着在介质基板上下表面的上下层金属地板层和在介质基板层中间的金属馈电线组成。带状线上层金属地板中心有由3个十字缝组成的馈电缝隙，金属馈电线通过该缝隙对上层微带天线结构进行耦合馈电，带状线的上下两层金属地板层通过多个属的圆柱形过孔相连。该天线采用由3个十字缝来组成的馈电缝隙，来增加天线的工作带宽和3dB圆极化轴比带宽。采用方形环介质基板和带状线耦合馈电，来提高天线的增益。该天线具有小型化、宽带化、结构紧凑、便于加工和集成的特点。

Description

一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线

技术领域

本发明涉及到一种卫星导航与定位天线，特别是涉及一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，该天线是一种兼容接收天线，可以同时工作在中国北斗二代系统的B 1频段(1561.098MHz)和美国的GPS系统L1频段(1575.42MHz)的多个导航系统。

背景技术

卫星导航产业是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业，其发展前景十分广阔，已经成为国际八大无线产业之一，是继蜂窝移动通信和互联网之后，全球发展最快的信息产业，已成为第三个IT经济的又一个新的增长点。以美国全球定位系统GPS为代表的卫星导航与定位产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。我国的卫星导航产业正进入产业化高速发展的关键时刻，预计在今后五到十年内将形成GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统融合的全球性导航卫星系统的集合。

随着各导航系统的发展，多系统并存、多模融合步伐将进一步加快，单一的GPS系统时代正在转变为多星座并存且兼容的全球导航卫星系统(GNSS)时代，在可以预见的将来，覆盖各国领土的卫星导航系统将包括GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统四大系统。各个系统的优劣在于：GPS发展时间长，应用广泛，但出于国家安全考虑，美国的GPS一直没有承诺对民用服务的连续性；GLONASS的抗干扰能力强，但是系统运行状态不稳，同时编码方式特殊；GALILEO相对精准，但技术成熟度相对较晚。北斗卫星导航系统是从中国战略层面上开发的一套具有自主知识产权和双向通信能力的卫星导航与定位系统。因此，开发同时兼容上述卫星导航系统的应用技术，实现多模融合，是卫星导航产业发展的必然趋势。

但是，目前设计多导航系统兼容的天线存在以下几方面的技术难点：

1、轴比/阻抗宽带化技术

在移动卫星通信中，卫星上的发射系统用圆极化波广播信号，以便运动中的交通工具和用户配用的移动卫星通信设备终端在与卫星无关的任何方向上可以接收卫星的信号，卫星上的发射系统覆盖一个很大的范围，无须对准某个具体的终端。为了满足这种需求，用于移动卫星通信设备的天线必需在很宽波束内具有良好的圆极化性能。

传统的螺旋天线常用于卫星导航系统中，用于产生圆极化波传播，由于该天线需要从接地金属板的表面向上延伸出的高度为λ₀/4～λ₀/2(其中λ₀为天线工作波长)一段螺旋，因此其样式不佳，还增加了空气动力学上的阻力。低剖面的微带天线可以弥补上述不足，但是传统的单馈点微带圆极化天线尚存在以下缺点：(1)没有足够的波束宽度，无法保证为移动卫星通信提供足够宽的覆盖范围；(2)当拥有足够的波束宽度时，阻抗带宽却不足。微带天线的辐射波束宽度虽然通过采用高介电常数的介质材料或采用微带开槽技术把天线的尺寸缩小从而产生宽的辐射波束，但这种方法却使阻抗带宽减少，不能满足需求。

2、小型化技术

小型化技术是多系统导航兼容型天线设计中的一大难题。无论从电性能方面来说，还是从机械尺寸方面来说，小型化技术都是不可或缺的。从电性能方面来说，卫星导航系统要求天线的辐射波束要足够宽，而通常情况下，尺寸小的天线可以产生宽的辐射波束。从机械尺寸方面来说，当多个天线单元组合在一起的时候，整个天线的尺寸势必会增加，不仅会增加空气动力学的阻力，还会增加到天线的装配方面的难度，对天线的机械强度提出了更高的要求。

3、天线增益增强技术

北斗、GPS及GLONASS等卫星导航定位系统要求天线不仅具有很宽的波束范围，还要求天线具有较高的增益。常见的增益要求为：在仰角20°～90°的范围内，增益大于0dBic，在仰角为5°～20°的范围内，增益大于-3dBic。为了达到这种要求，首先要改善端口的阻抗匹配，保证射频信号能够馈入各个天线单元中，减少反射回去的信号能量。在保证端口良好匹配的基础上还要提高天线的辐射效率，使馈入天线的信号能充分的发射出去，减少天线单元中的能量损失，包括介质损耗，金属损耗等。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种能够兼容多个卫星导航与定位系统的接收天线，且实现良好的阻抗带宽、轴比带宽、增益和小体积等性能的基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线。

本发明利用基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，实现了良好的圆极化天线性能，其天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽都涵盖了北斗B1和GPS L1两个全球卫星定位系统的两个频段，此外还具有小型化，结构紧凑，便于加工和应用的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线辐射体、上层介质基板，中层介质基板、下层馈电带状线和同轴馈电线；下层馈电带状线由介质基板层、附着在介质基板上表面的上层金属地板层、附着在介质基板下表面的下层金属地板层和设置在介质基板层中间的金属馈电线组成；上层金属底板层中心处设有由3个十字缝组成的馈电缝隙，3个十字缝的交叉点同在上层金属底板层中心点，十字缝均匀分布在同一平面内；在介质基板层中设有金属馈电线，金属馈电线由输入金属线、环形金属线以及匹配金属线依次连接组成，输入金属线、环形金属线以及匹配金属线的宽度一致；

同轴馈电线由探针和同轴外壳组成；同轴外壳与下层金属地板相联接，探针穿过下层介质基板与输入金属线连接；

上层金属地板层和下层金属地板层通过多个穿过于介质基板的圆柱形过孔相连接；圆柱形过孔均匀设置在上层金属地板层、下层介质基板和下层金属地板层边沿，两个相邻圆柱形过孔之间的距离为圆柱形过孔直径的3倍，圆柱形过孔9的整个孔内圆柱面附着金属层；

中层介质基板3中部设有方形空腔，该方形空腔高为0.01λ，边长为0.156λ，λ为空气中的波长，λ＝c/f₀，其中c是光在真空中的速度，f_o是工作频率；

上层微带天线辐射体为圆环形金属片，上层微带天线辐射体圆环的平均半径

式中f_o是工作频率，ε_e为具有一方形空腔的上层介质基板的等效介电常数，

i＝1、2，h_i分别为上层介质基板和中层介质基板的厚度，ε_ri分别为上层介质基板和中层介质基板的相对介电常数；环形内径R_in为上层微带天线辐射体几何中心至内圆的距离，环形外径R_out为上层微带天线辐射体几何中心至外圆的距离；

所述上层天线辐射体结构的中心点、带状线上层金属底板层上3个十字缝组成的馈电缝隙的中心点以及带状线介质中间的金属馈电线圆环部分的中心点都在同一直线上；

所述上层介质基板和下层馈电带状线中的介质基板均为高介电常数的陶瓷介质。

为进一步实现本发明目的，所述圆环形金属线的半径Rf为环形金属线6b的几何中心到环金属线线宽中点处的距离Rf＝λ/(2π)，λ为下层介质基板中的等效波长，

其中c是光在真空中的速度，f_o是工作频率，ε_e是等效介电常数，ε_e由下层介质基板的相对介电常数决定。

所述匹配金属线的长度为λ/4，λ为下层介质基板中的等效波长。

所述上层微带天线辐射体为铜片或者银片。

所述f_o＝1568MHz。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)天线采用陶瓷材料和圆形金属片作为天线辐射体，有效地减少了天线的体积，拓展了波束宽度。

(2)天线采用由3个十字缝构成的连续耦合馈电网络，进行连续旋转耦合馈电，有效的拓宽天线的3dB圆极化轴比带宽。

(3)天线采用低损耗的陶瓷材料和带状线馈电方式，改善了天线的辐射效率，提高了天线增益。

(4)天线中间介质层采用挖空的方形陶瓷材料，有效的拓宽天线的工作带宽，在轴比小于3dB的情况下，频率范围为1557-1577MHz，3dB轴比带宽达到20MHz；而回波损耗在1534-1597MHz频率范围内小于-16dB，使得阻抗带宽大于63MHz。同时，该特点使得天线更便于生产加工。

(5)天线馈电带状线中的上下地板采用多个金属过孔相连接的方式，有效地改善了天线的接地性能，便于集成应用。

(6)采用带状线与微带天线共用地板，有效减小天线的厚度，使结构更紧凑，便于加工生产。

附图说明

图1为基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线结构示意图；

图2a为微带天线辐射体的示意图；

图2b为微带天线中层方形环介质基板层的示意图；

图2c为天线馈电网络中带状线上层金属地板层的示意图；

图2d为天线馈电网络中带状线介质中间层金属馈电线的示意图；

图2e为天线馈电网络中带状线下层金属地板层的示意图；

图3为天线的剖面示意图；

图4a为本发明的回波损耗示意图；

图4b为本发明的轴比示意图；

图4c为本发明的增益示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的作详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2a、2b、2c、2d、2e所示，一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，采用微带电路的形式来实现，包括上层微带天线辐射体1、上层介质基板2，中层介质基板3、下层馈电带状线和同轴馈电线10。下层馈电带状线由介质基板层7、附着在介质基板上表面的上层金属地板层4、附着在介质基板下表面的下层金属地板层8和设置在介质基板层中间的金属馈电线6组成。其中，上层金属底板层4中心处设有由3个十字缝组成的馈电缝隙5，3个十字缝的交叉点同在上层金属底板层4中心点，十字缝均匀分布在同一平面内。通过常规多层PCB板布线的方法在介质基板层7中设有金属馈电线6，金属馈电线6由输入金属线6a、环形金属线6b以及匹配金属线6c依次连接组成，输入金属线6a、环形金属线6b以及匹配金属线6c的宽度一致。环形金属线6b的几何中心到环金属线线宽中点处的距离为圆环形金属线的半径Rf(见图2d)，可根据公式为Rf＝λ/(2π)计算得到，λ为下层介质基板7中的等效波长，λ可通过公式

计算，其中c是光在真空中的速度，f_o是工作频率，ε_e是等效介电常数，ε_e可近似由下层介质基板7的相对介电常数来计算；相对介电常数是材料本身的一种参数，它与真空中的电导率相乘就是材料的介电常数。匹配金属线6c长为λ/4(λ为下层介质基板7中的等效波长)。

同轴馈电线10由探针10a和同轴外壳10b组成。同轴外壳10b与下层金属地板8相联接，探针10a穿过下层介质基板7与输入金属线6a连接。天线馈电电流由同轴线探针10a流入带状线介质中间的输入金属线6a。当电流经金属线6a流过环形金属线6b时，其辐射的电磁能量通过带状线7中的上层介质和上层地板中的3个十字缝耦合到天线中层方形环介质基板3中，并通过上层介质基板2实现对天线辐射体的馈电。

馈电带状线的上层金属地板层4和下层金属地板层8通过多个穿过于介质基板7的圆柱形过孔9相连接。圆柱形过孔9的整个孔内圆柱面附着金属层，圆柱形过孔9均匀设置在上层金属地板层4、下层介质基板7和下层金属地板层8边沿，两个相邻圆柱形过孔9之间的距离为圆柱形过孔9直径的3倍，上层金属地板层4和下层金属地板层8由于通过孔内圆柱面附着金属层的圆柱形过孔相连，同时，同轴馈电线外壳10b与下层地板层相连，圆柱形过孔9、上层金属地板层4和下层金属地板层8和同轴线外壳10b等电势，所以当通过同轴馈电线馈电时，外壳10b接地，上层金属地板层4和下层金属地板层8也接地。

上层微带天线辐射体1为圆环形金属片，优选为铜片或者银片，上层微带天线辐射体几何中心至内圆的距离为环形内径R_in，上层微带天线辐射体1几何中心至外圆的距离为外径R_out。上层微带天线辐射体1圆环的平均半径(R_in+R_out)/2、上层介质基板2及中层介质基板3的介电常数一起决定天线的谐振频率，具体的公式为

式中f_o是工作频率，对同时工作在中国北斗二代B1频段(1561.098MHz)和美国的GPS系统L1频段(1575.42MHz)两个导航系统可取f_o＝1568MHz，ε_e为具有一方形空腔的上层介质基板的等效介电常数，其值可以用公式近似计算，h_i(i＝1，2)分别为上层介质基板2和中层介质基板3的厚度，ε_ri(i＝1，2)分别为上层介质基板2和中层介质基板3(近似为空气)的相对介电常数。中层介质基板3中部设有方形空腔，该方形空腔高为0.01λ，边长为0.156λ，λ为空气中的等效波长，

其中c是光在真空中的速度，f_o是工作频率，ε_e是等效介电常数，ε_e由空气的相对介电常数决定。

上层微带天线辐射体1的几何中心、3个十字缝组成的馈电缝隙5的中心点以及环形金属线6b的几何中心都在同一直线上。

上层介质基板2、中层介质基板3和下层介质基板7均为高介电常数的陶瓷介质，有效的减小天线体积。

上层微带天线辐射体1与下层馈电带状线共用金属地板层4，有效地减少天线体积，使天线结构更加紧凑。

传统的缝隙耦合馈电天线一般采用1个十字缝进行耦合馈电，但本发明的馈电缝隙5则采用了3个十字缝，克服了由于采用了具有高介电常数的陶瓷介质带来的窄带问题，拓宽了天线工作带宽和3dB圆极化轴比带宽，提高了天线的增益，改善了天线的性能。

本发明可应用于GPS、北斗兼容接收机天线。当天线发射信号时，电流从馈电同轴线10馈入，经馈电网络带状线介质中间的馈电线6时，通过由3个十字缝组成的多缝隙5、方形环介质基板3和介质基板2耦合到微带辐射体1，从而将电流信号转化为电磁波信号。当接收信号时，微带辐射体1将电磁波信号转化为电流信号，信号传播方向与发射时相反。

根据图1-3，制作基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，应用于北斗或GPS接收机，采用仿真软件仿真，得到的结果如图4a、4b、4c所示。从图4a可见，在北斗B1、GPS L1，所在的1557～1577MHz频段内，回波损耗S11＜-16dB；从图4b中可以看到，在上述频带内轴比AR＜3dB；从图4c中可以看到，在1557～1577MHz频带内，增益Gain＞5.6dBi。这说明天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽均覆盖了北斗B1和GPS的L1频段，使得天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims

1.一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：包括上层微带天线辐射体、上层介质基板，中层介质基板、下层馈电带状线和同轴馈电线；下层馈电带状线由介质基板层、附着在介质基板上表面的上层金属地板层、附着在介质基板下表面的下层金属地板层和设置在介质基板层中间的金属馈电线组成；上层金属地板层中心处设有由3个十字缝组成的馈电缝隙，3个十字缝的交叉点同在上层金属地板层中心点，十字缝均匀分布在同一平面内；在介质基板层中设有金属馈电线，金属馈电线由输入金属线、环形金属线以及匹配金属线依次连接组成，输入金属线、环形金属线以及匹配金属线的宽度一致；

上层金属地板层和下层金属地板层通过多个穿过于介质基板的圆柱形过孔相连接；圆柱形过孔均匀设置在上层金属地板层、下层介质基板和下层金属地板层边沿，两个相邻圆柱形过孔之间的距离为圆柱形过孔直径的3倍,圆柱形过孔（9）的整个孔内圆柱面附着金属层；

中层介质基板（3）中部设有方形空腔，该方形空腔高为0.01λ，边长为0.156λ，λ为空气中的波长，λ=c/f₀，其中c是光在真空中的速度，f_o是工作频率；

i=1、2，h_i分别为上层介质基板和中层介质基板的厚度，ε_ri分别为上层介质基板和中层介质基板的相对介电常数；环形内径R_in为上层微带天线辐射体几何中心至内圆的距离，环形外径R_out为上层微带天线辐射体几何中心至外圆的距离；

所述上层微带天线辐射体结构的中心点、带状线上层金属地板层上3个十字缝组成的馈电缝隙的中心点以及带状线介质中间的金属馈电线圆环部分的中心点都在同一直线上；

2.根据权利要求1所述的基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：环形金属线的圆环形的半径Rf为环形金属线（6b）的几何中心到环金属线线宽中点处的距离，Rf=λ(2π)，λ为下层介质基板中的等效波长，

3.根据权利要求1所述的基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：匹配金属线的长度为λ/4，λ为下层介质基板中的等效波长。

4.根据权利要求1所述的基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述上层微带天线辐射体为铜片或者银片。

5.根据权利要求1所述的基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述f_o=1568MHZ。