CN102324620B

CN102324620B - 一种可工作于gps和td-scdma的双频双极化天线

Info

Publication number: CN102324620B
Application number: CN201110197734XA
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 宋蕾蕾
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-07-15
Also published as: CN102324620A

Abstract

本发明公开一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，上下两层微带天线共用一层金属地板层。天线设置有两个短路金属柱，这两个短路金属柱从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与底层金属地板层相连接。该天线采用层叠式结构和双端口同轴馈电的馈电方式，具有结构简单及紧凑、小型化和便于加工等优点。

Description

一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线

技术领域

本发明涉及一种天线，特别是涉及一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线。

背景技术

随着卫星导航技术及移动互联网技术的发展，基于位置服务的应用正不断涌现。现在市场上主要应用是以GPS定位系统获取地理位置信息，以GPRS和3G网络提供移动互联网接入服务，因此GPS卫星导航系统和第三代移动通信技术TD-SCDMA在技术上的融合可以更好的实现移动、位置、实时的移动互联网环境。能同时接收GPS和TD-SCDMA信号的多系统导航（兼容）型天线将得到越来越广泛的应用。

但是，设计能同时接收GPS和TD-SCDMA信号的多系统导航（兼容）型天线存在以下几方面的技术难点：

1.GPS圆极化与TD-SCDMA线极化的结合技术

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。众所周知，移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式，故接收天线也要求是线极化的极化方式。而将这两种极化方式结合的技术尚未成熟。

2.提高双端口微带天线隔离度技术

GPS工作频率为1575.42MHz，TD-SCDMA工作频率为2010~2025MHz，两者频率较接近，设计微带天线时尺寸差异不大，而在实际使用中往往要求双端口天线两端口的隔离度达到一定的标准，因此如何提高天线隔离度也是设计中的一大难点。

3.微带天线小型化技术

微带天线小型化技术是当今国内外研究的重点和难点。无论从电性能方面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到一起的时候，整个天线的尺寸务必会增加，不仅会增加空气动力学阻力，还会总价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。

发明内容

本发明的目的在于攻克现有技术的难点，提供一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线。

本发明实现了GPS和TD-SCDMA的双频兼容的目标，此外还具有小型化，结构简单及紧凑，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：

一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，上层微带天线结构包括上层贴片、上层介质基板、第一短路金属柱、第二短路金属柱和用于端口馈电的第一馈电金属柱；下层微带天线结构包括下层贴片、下层介质基板层和用于端口馈电的第二馈电金属柱；上层微带天线和下层微带天线共用一层金属地板层；第一短路金属柱和第二短路金属柱底面的圆心位于底层金属地板层的对角线上，等距排列在第一馈电金属柱的两侧，且从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与底层金属地板层相连接；第一馈电金属柱和第二馈电金属柱底面圆心连线平行于金属地板层的一边；下层贴片为正方形贴片，正方形贴片的四个角处分别被切去一个等腰直角三角形，形成四个切角；上层贴片和下层贴片分别附着在上层介质基板的上下两面，下层贴片和金属地板层分别附着在下层介质基板的上下两面；上层介质基板、下层介质基板和金属地板层的几何中心处设有一个用于设置第一馈电金属柱的圆柱形挖孔；下层介质基板和金属地板层偏离中心处另设有一个用于设置第二馈电金属柱的圆柱形挖孔。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述第一短路金属柱和第二短路金属柱的大小和结构完全相同。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述四个切角在正方形贴片同一对角线上的切角大小相等，同一条边上的切角大小不同。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，上层贴片结构为圆形。上层贴片可为圆形金属片（铜片或银片）。下层贴片为可为正方形贴片（铜片或银片）。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述上层贴片、第一短路金属柱、第二短路金属柱及第一馈电金属柱组成加载短路圆形贴片的类似单极子天线结构，其中第一短路金属柱或第二短路金属柱的直径要比第一馈电金属柱的直径要大。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述下层贴片上设置有第一圆形挖孔、第二圆形挖孔和第三圆形挖孔，第一圆形挖孔、第二圆形挖孔和第三圆形挖孔的圆心在下层贴片的对角线上；下层贴片几何中心处设置供第一馈电金属柱穿设的所述第一圆形挖孔，第一圆形挖孔的直径比第一馈电金属柱的直径大；下层贴片的几何中心的两侧等距设置有供第一短路金属柱穿设的第二圆形挖孔和供短路第二短路金属柱穿设的第三圆形挖孔，第二圆形挖孔和第三圆形挖孔大小相等但比第一短路金属柱或第二短路金属柱的直径大。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述金属地板层为正方形金属片，其上设置有用于第一馈电金属柱馈电的第四圆形挖孔和用于第二馈电金属柱馈电的第五圆形挖孔。

上述的可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，所述上层介质基板和下层介质基板是两种不同介电常数的高频材料。

上层贴片的几何中心处设置有上层馈点；下层贴片上设置有下层馈点；馈电源通过第一馈电金属柱给上层贴片馈电，通过第二馈电金属柱给下层贴片馈电。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点和技术效果：

（1）上层微带天线通过加载短路圆形贴片的类似单极子天线实现TD-SCDMA频段内的线极化，其中第一短路金属柱或第二短路金属柱的直径要比第一馈电金属柱的直径大，有利于减小该馈电端口的回波损耗，增加该馈电端口的阻抗带宽。

（2）下层微带天线通过微扰和侧馈实现GPS频段内的圆极化，其中微扰是由正方形贴片上减去两对大小不同的等腰直角三角形实现的，具有良好的圆极化性能。实施例中轴比小于3dB的情况下，频率范围为1.571 ~ 1.577GHz（GPS天线要求3dB轴比带宽为2MHz）。

（3）上层介质基板和下层介质基板采用介电常数不同的高频材料，其中上层介质基板材料的介电常数比下层介质基板的小，上层介质基板的厚度比下层介质基板的厚度大，而上层介质基板的底面积比下层介质基板的底面积小，有利于减小上层天线对下层天线的影响，提高天线两个端口的隔离度。

（4）上层贴片为圆形结构，下层贴片为正方形结构，相比于上下贴片都为圆形或者上下贴片都为方形的结构，能有效减小天线两端口之间的耦合，提高天线隔离度。实施例中的天线两端口隔离度都大于15dB。

（5）上层微带天线和下层微带天线共用底层金属地板层，有效减小天线的厚度，使结构更加紧凑，便于加工。

附图说明

图1为一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线的结构示意图；

图2a为上层贴片示意图；

图2b为下层贴片的示意图；

图2c为底层金属地板层的示意图；

图3a为GPS频段内回波损耗及隔离度示意图；

图3b为GPS频段内轴比示意图；

图3c为GPS频段内增益示意图；

图4a为TD-SCDMA频段内回波损耗及隔离度示意图；

图4b为TD-SCDMA频段内增益示意图；

图4c为f=2.01GHz时的E面方向图；

图4d为f=2.01GHz时的H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明，但本发明的实施方法不限于此。

如图1、2a、2b和2c所示，一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，采用层叠式的微带电路的形式来实现，包括具有上层贴片11的上层微带天线10、具有下层贴片21的下层微带天线20和置于底层的金属地板层30；上层微带天线10结构包括上层贴片11、上层介质基板12、第一短路金属柱14、第二短路金属柱15和用于端口馈电的第一馈电金属柱13，其中第一短路金属柱14和第二短路金属柱15大小和结构完全相同；下层微带天线20结构包括下层贴片21、下层介质基板层22和用于端口馈电的第二馈电金属柱23；金属地板层30上设置有第四圆形挖孔31和第五圆形挖孔32，分别用于第一馈电金属柱13和第二馈电金属柱23的馈电；上层微带天线10和下层微带天线20共用一层金属地板层30；上层贴片11和下层贴片21分别附着在上层介质基板12的上下两面，下层贴片21和金属地板层30分别附着在下层介质基板22的上下两面；第一短路金属柱14和第二短路金属柱15从所述上层贴片11穿入上层微带天线10和下层微带天线20，与所述金属地板层30连接；第一馈电金属柱13从上层贴片11穿入上层介质基板12、下层介质基板22和底层金属地板层30，到达第四圆形挖孔31；第二馈电金属柱23从下层贴片21穿入下层介质基板22和底层金属地板层30，到达第五圆形挖孔32；第一馈电金属柱13和第二馈电金属柱23底面圆心连线平行于金属地板层30的一边；上层介质基板12和下层介质基板22分别设有相应的过孔，供第一短路金属柱14、第二短路金属柱15和第一馈电金属柱13穿设；下层介质基板设有相应的过孔供第二馈电金属柱23穿设。

上层贴片接收TD-SCDMA（中国移动3G标准）的B频段（2.01~2.025GHz）的信号，下层贴片接收GPS（Global Positioning System全球定位系统）的L1频段（1575.42MHz）的信号。

第一短路金属柱14和第一馈电金属柱13之间、第二短路金属柱15和第一馈电金属柱13之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使上层微带天线10在低于谐振频率位置上达到上层微带天线10的阻抗匹配，从而增强了上层微带天线10的阻抗带宽，确保上层微带天线10的频率带宽可以覆盖TD-SCDMA的A频段的频率带宽，这样就可以遏制多径效应对本天线的影响，提高上层微带天线10的接收信号的可靠性和精度。

同理，第一短路金属柱14和第二馈电金属柱23之间、第二短路金属柱15和第二馈电金属柱23之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使上层微带天线20在低于谐振频率位置上达到上层微带天线20的阻抗匹配，从而增强了上层微带天线20的阻抗带宽，确保上层微带天线20的频率带宽可以覆盖GPS的L1频段的频率带宽，这样就可以遏制多路效应对本天线的影响，提高上层微带天线20的接收信号的可靠性和精度。

如图2a和图2b所示，上层贴片11为圆形，下层贴片21为正方形。这两种形状都为对称结构，容易实现贴片均匀对称设计，形状也易于加工制造；而相比于上下贴片都为圆形或者都为正方形的结构设计，该天线能够减小上层微带天线10和下层微带天线20间的耦合，提高天线两端口的隔离度。

如图2b所示，下层贴片21有两对切角，第一切角24和第二切角25，所述第一切角24和第二切角25都为等腰直角三角形，并且第一切角24的面积比第二切角25的面积小。第一切角24和第二切角25可以起到简并模分离的作用，即正方形贴片增加了一个简并模分离单元，使简并模的谐振频率产生分离，工作频率位于两个频率之间，当简并模分离单元选择合适时，对于工作频率而言，一个模的等效阻抗相角超前，而另一个模的等效阻抗相角滞后，当他们之间的相差为90度时，便形成了圆极化。

如图2b所示，下层贴片21上设置有第一圆形挖孔26、第二圆形挖孔27和第三圆形挖孔28。第一圆形挖孔26、第二圆形挖孔27和第三圆形挖孔28的圆心在下层贴片21的对角线方向上。下层贴片21几何中心处设置有第一圆形挖孔26，第一圆形挖孔26的直径比第一馈电金属柱13的直径大，供第一馈电金属柱13穿设；下层贴片21的几何中心的两侧等距设置有第二圆形挖孔27和第三圆形挖孔28，其大小相等，但比第一短路金属柱14或第二短路金属柱15的直径大，第二圆形挖孔27供第一短路金属柱14穿设，第三圆形挖孔28供短路第二短路金属柱15穿设。

上层微带天线10和下层微带天线20共用底层金属地板层30，有效减小天线的厚度，使结构更加紧凑，便于加工。

上层介质基板12和下层介质基板采22用介电常数不同的高频材料，其中上层介质基板12材料的介电常数比下层介质基板22的小，上层介质基板12的厚度比下层介质基板22的厚度大，而上层介质基板12的底面积比下层介质基板22的底面积小，有利于减小上层天线对下层天线的影响，提高天线两个端口的隔离度。

应用本发明的一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线的效果图如图3a，图3b，图3c及图4a，图4b，图4c和图4d所示。

从图3a中可以看出，在GPS的L1频段（1.57~1.58GHz）范围内，回波损耗小于-15dB ，与TD-SCDMA端口的隔离度小于-50dB；从图3b中可以看出，在1.571GHz~1.577MHz频段范围内，轴比AR小于3dB,；从图3c中可以看出，在1.57~1.58GHz频段范围内，增益Gain大于4 dB；这说明天线的阻抗带宽，轴比带宽和增益带宽覆盖了GPS的L1频段，天线在上述频段内具有良好的性能。

从图4a中可以看出，在TD-SCDMA的B频段（2.01~2.025GHz）范围内，回波损耗小于-15dB，与GPS端口的隔离度小于-15dB；从图4b中可以看出，在2.01~2.025GHz频段范围内，增益Gain大于1.5 dB；从图4c和图4d中可以看出，天线在频率等于2.01GHz时具有良好的方向性；这说明天线的阻抗带宽，轴比带宽和增益带宽覆盖了TD-SCDMA的B频段，天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims

1.一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，其特征在于：上层微带天线结构包括上层贴片、上层介质基板、第一短路金属柱、第二短路金属柱和用于端口馈电的第一馈电金属柱；下层微带天线结构包括下层贴片、下层介质基板层和用于端口馈电的第二馈电金属柱；上层微带天线和下层微带天线共用一层金属地板层；第一短路金属柱和第二短路金属柱底面的圆心位于底层金属地板层的对角线上，等距排列在第一馈电金属柱的两侧，且从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与底层金属地板层相连接；第一馈电金属柱和第二馈电金属柱底面圆心连线平行于金属地板层的一边；下层贴片为正方形贴片，正方形贴片的四个角处分别被切去一个等腰直角三角形，形成四个切角；上层贴片和下层贴片分别附着在上层介质基板的上下两面，下层贴片和金属地板层分别附着在下层介质基板的上下两面；上层介质基板、下层介质基板和金属地板层的几何中心处设有一个用于设置第一馈电金属柱的圆柱形挖孔；下层介质基板和金属地板层偏离中心处另设有一个用于设置第二馈电金属柱的圆柱形挖孔；所述第一短路金属柱和第二短路金属柱的大小和结构完全相同；所述四个切角在正方形贴片同一对角线上的切角大小相等，同一条边上的切角大小不同；所述上层贴片、第一短路金属柱、第二短路金属柱及第一馈电金属柱组成加载短路圆形贴片的类似单极子天线结构，其中第一短路金属柱或第二短路金属柱的直径要比第一馈电金属柱的直径要大；所述下层贴片上设置有第一圆形挖孔、第二圆形挖孔和第三圆形挖孔，第一圆形挖孔、第二圆形挖孔和第三圆形挖孔的圆心在下层贴片的对角线上；下层贴片几何中心处设置供第一馈电金属柱穿设的所述第一圆形挖孔，第一圆形挖孔的直径比第一馈电金属柱的直径大；下层贴片的几何中心的两侧等距设置有供第一短路金属柱穿设的第二圆形挖孔和供短路第二短路金属柱穿设的第三圆形挖孔，第二圆形挖孔和第三圆形挖孔大小相等但比第一短路金属柱或第二短路金属柱的直径大。

2.根据权利要求1所述的一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，其特征在于：所述上层贴片结构为圆形。

3.根据权利要求1所述的一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，其特征在于：所述金属地板层为正方形金属片，其上设置有用于第一馈电金属柱馈电的第四圆形挖孔和用于第二馈电金属柱馈电的第五圆形挖孔。

4.根据权利要求1~3任一项所述的一种可工作于GPS和TD-SCDMA的双频双极化天线，其特征在于：所述上层介质基板和下层介质基板是两种不同介电常数的高频材料。