CN102157789A - 带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线 - Google Patents

Abstract

带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，涉及一种微带天线。在基板的2个表面敷有良导体；上表面良导体层上带有方形阵列孔加载、圆形耦合腔和圆弧改进的康托尔分形辐射贴片，在一阶康托尔结构的长边上等距挖去3个半圆，短边正中位置处挖去1个半圆，使得外围边界变成圆弧状，圆弧的半径为一阶康托尔结构长边长度的1/8，长边长度为方形轮廓长度的一半，在改进的康托尔分形辐射贴片上开有阵列孔洞，相邻的两个方形孔洞间距为长边长度的1/4，间隔圆孔的两方形孔洞间距为长边长度的1/2，在贴片表面对称加载了小孔进行耦合；下表面良导体层上带有矩形孔阵列光子带隙结构。具有回波损耗较低、增益较高、干扰较小、定向辐射特性。

Description

带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于北斗卫星与GPS定位系统的小型化带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线。

背景技术

自2000年以来，中国已成功发射了4颗北斗一号导航定位卫星和7颗北斗二号导航定位卫星，已建成北斗一号导航试验系统，并正在建设覆盖全球的北斗二号卫星定位系统。天线作为卫星通信系统必不可缺少的一部分，直接决定着卫星通信系统的性能。我国的第一代“北斗”卫星通信系统工作于上行(发射频率)L频段，下行(接收频率)S频段。使用双频或多频来补偿电离层传播造成的延时，要求天线在各个频率上都具有良好的工作性能。另由于卫星通信信号是圆极化波，天线应该呈现圆极化。在信息技术迅猛发展的今天，随着卫星通信系统的广泛应用，对卫星通信系统接收天线的研究层出不穷，如单极的、双极的、螺旋的、4臂螺旋的，以及微带天线，均可用于卫星通信系统的各种天线中。传统的微带天线因具有剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点，已在移动通信，卫星通讯，导弹遥测，多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用，但增益有限一直是微带天线的缺陷。

康托尔分形天线是一种典型的分形天线，它的初始元为1个正方形，将其等分为4行4列16个小正方形。去掉第1行第3个小正方形，第2行第1个小正方形，第3行第4个小正方形，第4行第2个小正方形，剩下12个小正方形即构成一阶康托尔结构。将一阶康托尔分形结构的12个小正方形再分别等分为4行4列共16个小正方形，去掉第1行第3个小正方形，第2行第1个小正方形，第3行第4个小正方形，第4行第2个小正方形，得到二阶康托尔分形结构。按此迭代可生成各高阶康托尔分形结构，这种结构能够在有限的空间增加微带辐射边长，降低谐振频率，还有助于改善北斗天线方向图的交叉极化现象。

加载技术也是天线工程中常用的实现小型化与宽带化的方法，通过在天线的适当位置加载电阻、电抗或导体来改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。加载的元件可以是无源器件也可以是有源网络，可以是线性元件也可以是非线性的，实际工程中最常用的是无源加载，如：顶部加载、介质加载、串联分布加载、集中加载等。

李庆利等(李庆利，薛永琪，施鹏飞，北斗DR组合导航融合算法及其在物流中的应用[J]，小型微型计算机系统，2005，12：2150-215)报道了北斗DR组合导航融合算法及其在物流中的应用；吴美平等(吴美平，逯亮清，北斗双星系统车辆定向技术[J]，国防科技大学报，2006，3：89-93)报道了北斗双星系统车辆定向技术。

对于工作频率不高的情况常采用集中加载，而工作频率较高时采用分布加载，因此通过加载技术是实现天线小型化最有效的途径。目前，把改进康托尔分形、分布加载技术、耦合腔调控技术、光子带隙结构结合起来，并应用于卫星系统的天线设计还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有回波损耗较低、增益较高、干扰较小、定向辐射特性的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线。

本发明的技术方案是将改进康托尔分形、分布加载技术、耦合腔调控技术和光子带隙结构结合。

本发明设有基板，在基板的2个表面上敷有良导体层；

在基板的上表面良导体层上带有方形阵列孔加载、圆形耦合腔和圆弧改进的康托尔分形辐射贴片，所述带有方形阵列孔加载、圆形耦合腔和圆弧改进的康托尔分形辐射贴片，是在一阶康托尔结构的长边上等距挖去3个半圆，短边正中位置处挖去1个半圆，使得外围边界变成圆弧状，圆弧的半径为一阶康托尔结构长边长度的1/8，长边长度为方形轮廓长度的一半，在改进的康托尔分形辐射贴片上开有阵列孔洞，相邻的两个方形孔洞间距为长边长度的1/4，间隔圆孔的两方形孔洞间距为长边长度的1/2，在贴片表面对称加载了小孔进行耦合；

在基板的下表面良导体层上带有矩形孔阵列光子带隙结构，所述带有矩形孔阵列光子带隙结构由3行3列共9个正方形孔构成，其中行与行平行，列与列平行，每行每列中两个小正方形的间距相等。

所述良导体可采用铜或银。

在基板的上表面良导体层上，所述长边长度可为4.40～4.6mm，最好为4.48mm；所述阵列孔洞最好为方形；所述方形孔洞的宽度可为0.2～0.6mm，最好为0.4mm；所述小孔最好为圆形，圆孔的的半径为0.16～0.4mm，最好为0.3mm。

在基板的下表面良导体层上，所述正方形孔的边长可为1.2～1.5mm，最好为1.4mm；所述每行每列中两个小正方形的间距可为2.5～3.1mm，最好为2.6mm；所述矩形孔阵列的上边沿与基板的上边沿的距离，矩形孔阵列的下边沿与基板的下边沿的距离，矩形孔阵列的左边沿与基板的左边沿的距离，矩形孔阵列的右边沿与基板的右边沿矩形孔阵列的距离可为11～1.4mm，最好为1.2mm。

可以通过调节长边的长度、方形小孔的宽度以及圆形小孔的半径来灵活控制频点位置和增益。

与常规微带天线相比，本发明具有如下突出优点：

1)本发明使用了分布加载技术和耦合腔调控技术，利用分形的宽频带/多频叠加/高辐射电阻/自加载等优点，并结合接地面的PBG，通过系列技术的综合优化，实现了天线的小型化，能够很好地满足北斗与GPS等卫星通信系统的要求。

2)由于采用了以上结构，此天线具有定向辐射的特点，频点为2.52GHz，其工作频段为2.519～2.521GHz，绝对带宽为0.002GHz，相对带宽为0.079％。

3)由于采用了以上结构，可以合理地优化良导体辐射面上方形加载孔的大小、圆形耦合腔的半径以及良导体接地面PBG方形孔的大小，按需覆盖北斗卫星体系与GPS等的所有频段，使其达到优良的电磁特性。

综上所述，本发明具有尺寸小、结构新颖、辐射特性好、受环境因素影响小、成本低并易于集成等优点，可达到北斗卫星与GPS导航等卫星通信系统对天线的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的带分布加载耦合腔的康托尔改进分形天线结构示意图。

图2为本发明实施例的带分布加载耦合腔的康托尔改进分形天线的PBG结构示意图。

图3为本发明实施例的带分布加载耦合腔的康托尔改进分形天线的主视结构示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。在图4中，横坐标表示频率Freq(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度S11(dB)。

图5为本发明实施例的E面方向图。在图5中，坐标为极坐标。

图6为本发明实施例的H面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参照图1与图2，本发明设有双面镀铜的陶瓷介质基板1，其长为9mm，宽为9mm，高为3.9mm。在陶瓷介质基板1的两面覆有铜层，上表面为带有半圆分形、方形加载孔4和圆形耦合腔5的覆铜层2，其中覆铜层的边长为8.96mm±0.01mm，半圆弧的半径为0.56mm±0.01mm，正方形小孔边长为0.4mm±0.01mm，小圆孔的半径为0.3mm±0.01mm。覆铜层2中刻蚀的小正方形孔以及4个小圆孔都是对称分布的，每相邻的两正方形孔间距为1.12mm±0.01mm，间隔小圆孔的两正方形孔间距为2.24mm±0.01mm。陶瓷介质基板1的下表面为带有PBG结构的覆铜层6，矩形PBG结构为3行3列共9个正方形孔7组成，行与行相互平行，列与列相互平行，每个正方形孔的边长为1.4mm±0.01mm，相邻两个正方形的间距为1.2mm±0.01mm，矩形孔阵列边界与介质基板边界的间距均为1.2mm±0.01mm。图1中标注3为馈电孔，它的半径为0.5mm±0.01mm，是高度为3.9mm±0.01mm穿过陶瓷介质基板的空心圆柱。本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电如图3，这种馈电形式使得天线的S₁₁更低，增益增大。其中铜轴线的内芯通过馈孔与矩形帖片2连接，而铜轴线的外芯与陶瓷介质板下表面的反射板6相连。

参见图4，从图4中可以看出，本发明天线的工作频段为2.519～2.521GHz。此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，在2.52GHz处的最小回波损耗为-22.4dB，从上可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求。本发明天线在2.52GHz的绝对带宽与相对带宽分别为：0.002G与0.079％；带宽很窄，但是性能稳定能够定向辐射，因而可以很好地应用于北斗与GPS等卫星通信系统中。

参见图5与图6，图5为E面图，图6为H面图。从图中看出本发明具有定向辐射特性。可以满足卫星通信系统的要求，不过天线的增益为2.36dB，仍需进一步的优化。

所述基板可采用陶瓷介质基板，最好采用介电常数为26～34的陶瓷介质基板。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

注：表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计。

Claims (8)

1.带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于设有基板，在基板的2个表面上敷有良导体层；

在基板的上表面良导体层上带有方形阵列孔加载、圆形耦合腔和圆弧改进的康托尔分形辐射贴片，所述带有方形阵列孔加载、圆形耦合腔和圆弧改进的康托尔分形辐射贴片，是在一阶康托尔结构的长边上等距挖去3个半圆，短边正中位置处挖去1个半圆，使得外围边界变成圆弧状，圆弧的半径为一阶康托尔结构长边长度的1/8，长边长度为方形轮廓长度的一半，在改进的康托尔分形辐射贴片上开有阵列孔洞，相邻的两个方形孔洞间距为长边长度的1/4，间隔圆孔的两方形孔洞间距为长边长度的1/2，在贴片表面对称加载了小孔进行耦合；

在基板的下表面良导体层上带有矩形孔阵列光子带隙结构，所述带有矩形孔阵列光子带隙结构由3行3列共9个正方形孔构成，其中行与行平行，列与列平行，每行每列中两个小正方形的间距相等。

2.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于所述良导体层为铜层或银层。

3.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的上表面良导体层上，所述长边长度为4.40～4.6mm，最好为4.48mm。

4.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的上表面良导体层上，所述阵列孔洞为方形；所述方形孔洞的宽度为0.2～0.6mm，最好为0.4mm。

5.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的上表面良导体层上，所述小孔为圆形，圆孔的的半径为0.16～0.4mm，最好为0.3mm。

6.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的下表面良导体层上，所述正方形孔的边长为1.2～1.5mm，最好为1.4mm。

7.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的下表面良导体层上，所述每行每列中两个小正方形的间距为2.5～3.1mm，最好为2.6mm。

8.如权利要求1所述的带分布加载耦合腔的改进康托尔分形微带天线，其特征在于在基板的下表面良导体层上，所述矩形孔阵列的上边沿与基板的上边沿的距离，矩形孔阵列的下边沿与基板的下边沿的距离，矩形孔阵列的左边沿与基板的左边沿的距离，矩形孔阵列的右边沿与基板的右边沿矩形孔阵列的距离为1.1～1.4mm，最好为1.2mm。

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