CN102800952B - 北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线 - Google Patents
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Abstract
北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，涉及一种分形天线。设有正方形基板，基板双面敷铜，在基板一面刻蚀成正方形贴片，基板另一面作为接地面；在正方形贴片中从大到小设有三级鱼鳍，最大的第一级鱼鳍中正方形边长为17.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为16.75mm±0.05mm；次大的第二级鱼鳍中正方形边长为12.5mm±0.05mm，四分之一圆的半径为11.5mm±0.05mm；最小的第三级鱼鳍中正方形边长为8.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为7.75mm±0.05mm；在鱼鳍阵上设有馈电孔，馈电孔与正方形贴片连接。回波损耗低、增益高、干扰小且具有全向辐射特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种分形天线，尤其涉及一种北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线。
背景技术
北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，到目前为止，中国已成功发射了4颗北斗一号导航定位卫星和10颗北斗二号导航定位卫星。随着卫星导航技术的发展和在越来越多的方面的应用，中国作为信息社会的现代化国家，导航定位系统起着重要的作用，而且也是一个国家综合实力的重要表现。天线系统是卫星导航系统中必不可少也是至关重要的部分，它决定了卫星导航系统是否能够正常发挥其作用与功能。随着卫星导航定位技术的发展，卫星导航系统应用领域不断扩展，其终端接收机类型也越来越多。根据用途可分为车载式、舰载式、机载式、星载式以及弹载式等。所以它对终端天线要求要有电气特性、机械特性、较强的适应环境的能力。
目前常用的卫星终端天线有十字交叉振子天线、四臂螺旋天线、微带天线以及螺旋天线。其中，微带天线以其优良的性能而广泛应用于卫星终端接收设备中。1953年，G.A.DeschamPs教授（[1]G.A.Deschamps.Microstrip microwave antenna[C].USAF Symposium on Antenna,1953）提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念，1955年H.Gutton和G.Baissinot（[2]H.Gutton,G.Baissinot.Flat aerial for ultra high frequency-cies[P].French Patent no.703113,1955）申请了专利。1972年，芒森和豪威尔等（[3]Howell,J.Microstrip Antennas[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1975,23(1):90-93）研制成功了第一批实用的微带天线，之后随着基片的光刻技术和各种低损耗机制材料的出现，微带天线得到了迅速地发展。在展宽带宽方面CamNguyen等人（[4]Cam Nguyen,Jeong-soo Lee,Joong Suk Park.Ultra-Wideband Microstrip Quasi-horn Antenna[J].Electronics letters.2001,37(2):731-732）提出了采用不同材料的介质基板、天线加载、采用、口径耦合等方式来展宽频带带宽。在如何实现双频或多频天线时，D.M.Pozar和K-L Wong教授等（[5]D.M.Pozar.Microstrip AntennaAperture-Coupled To a Microstripline[J].Electronics letters.1985,21(2):49-50）提出了采用同一贴片，通过加载或开缝的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到调制，最终实现双频或多频工作；对于圆极化技术方面，国内西安电子科技大学的朱艳玲和焦永昌等设计了一种共口径双频双圆极化的微带天线，通过工作于高次模和主模的辐射贴片嵌套实现了双频双圆极化的要求，此外不但可以通过馈电激起两个模式的线极化波幅度相等、相位差90°时，就能得到圆极化的辐射波，还可以通过正交双馈来实现圆极化；对于天线的小型化，Hately，M.C和Kabbary，F.M，Stewart,B.G（[6]F.Crog,D.M.Pozar.Millimeter-wave design ofwide-band aperture-coupled stacked microstrip antenna[J].IEEE Trans AP-39,Dec.1991,1770-1776）发明了交叉场天线，这也是最早的小型天线，此后人们研究出了可采用高介电常数（[7]Hsi-Tseng Chou，Yi-Ling Chiu.A compact-sized microstrip antenna for GPS applications[J].Microwave and Optical Technology Letters,2006,48(4):810-814）、开槽（[8]Chow-Yen-DesmondSim,Tuan-Yung Han.GPS antenna design with slotted ground plane[J].M.A.O.L,2008,50(3):818-821）、PBG结构（[9]Bin Lin,Baiqiang You,Jianhua Zhou.The Microstrip Antenna with PBGused for 3G System[C],2007 IEEE International Workshop on Anti-counterfeiting,Security，Identification，on page(s):109-112）、分形（[10]Murad,N.A.,Esa,M.,Yusof,S.K.,Fisal,N..Fractalpatch antenna for GPS application[C].Student Conference on Research and Development(SCORED),2003 on page(s):102-104）等技术来实现天线的小型化。
基于北斗卫星导航系统对发射天线和接收天线的特殊要求，目前关于北斗卫星导航定位系统的天线的研究不是很多，对这部分有研究的也只有西安电子科技大学、电子科技大学、南京航空航天大学等，而他们研究的内容大多集中在缝隙天线上，关于分形结构的北斗卫星天线的研究甚少。近几十年，随着现代电子技术的发展，各种新技术和新发明不断涌现，微波集成电路技术和超大规模集成电路技术的快速发展，以及各种新材料和新工艺的应用，使得电子设备日益小型化，处理信息的能力日益智能化。对于北斗卫星导航系统而言，随着通信电子设备日益小型化，天线将成为系统中最笨重的部分而显露出来，此外，天线尺寸的减小还可以降低构建成本，也可以提高天线的抗自然条件等能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一款回波损耗低、增益高、干扰小且具有全向辐射特性的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线。
本发明设有基板，所述基板为正方形基板，所述基板双面敷铜，在基板的一面刻蚀成正方形贴片，基板的另一面作为接地面；在正方形贴片中从大到小设有第一级鱼鳍、第二级鱼鳍、第三级鱼鳍，最大的第一级鱼鳍中正方形边长为17.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为16.75mm±0.05mm；次大的第二级鱼鳍中正方形边长为12.5mm±0.05mm，四分之一圆的半径为11.5mm±0.05mm；最小的第三级鱼鳍中正方形边长为8.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为7.75mm±0.05mm；在鱼鳍阵上设有馈电孔，所述馈电孔与正方形贴片连接。
以上所有参数均是以正方形贴片的一角为参考点，并把这一点作为各单元的初始点来考虑的，例如圆心等。通过调节分形阵中的各个单元参数来获得适用于北斗卫星导航系统的微带天线。
所述基板可采用双面敷铜的正方形复合陶瓷介质基板，其边长可为18.75mm±0.05mm，厚度可为3mm±0.05mm。
所述馈电孔的半径可为0.5mm±0.05mm，所述馈电孔最好设在最小的第三级鱼鳍上；所述馈电孔可通过同轴线与正方形贴片连接。
本发明可按需调整鱼鳍的数目、鱼鳍的大小、鱼鳍的弧度及形貌，来获得锁定于北斗系列卫星与GPS等导航系统的应用频段、电磁辐射信号的强度及辐射仰角，同时也有望兼容其他通信频段。由于具有特定的辐射方向优化定制，对于未来的自组阵研究将奠定一定基础。
附图说明
图1为本发明实施例的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线辐射贴片结构示意图。
图2为本发明实施例的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线侧面示意图。
图3为本发明实施例的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线的回波损耗（S11）性能图。图3中横坐标表示频率Frequency (GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of theantenna(dB)。
图4为本发明实施例的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线的极坐标E面方向图。
图5为本发明实施例的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线的极坐标H面方向图。
具体实施方式
以下结合典型的三缝阵列实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1和2，本发明实施例设有基板1，所述基板1为正方形基板，所述基板1双面敷铜，在基板1的一面刻蚀成正方形贴片2，基板1的另一面作为接地面3；在正方形贴片2中从大到小设有第一级鱼鳍、第二级鱼鳍、第三级鱼鳍，最大的第一级鱼鳍中正方形边长为17.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为16.75mm±0.05mm；次大的第二级鱼鳍中正方形边长为12.5mm±0.05mm，四分之一圆的半径为11.5mm±0.05mm；最小的第三级鱼鳍中正方形边长为8.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为7.75mm±0.05mm；在鱼鳍阵上设有馈电孔4，所述馈电孔4与正方形贴片2连接。
以上所有参数均是以正方形贴片的一角为参考点，并把这一点作为各单元的初始点来考虑的，例如圆心等。通过调节分形阵中的各个单元参数来获得适用于北斗卫星导航系统的微带天线。
所述基板1可采用双面敷铜的正方形复合陶瓷介质基板，其边长可为18.75mm±0.05mm，厚度可为3mm±0.05mm。
所述馈电孔的半径可为0.5mm±0.05mm，所述馈电孔最好设在最小的第三级鱼鳍上；所述馈电孔4可通过同轴线与正方形贴片2连接。
实施例2
本实施例给出了一款频段为2.485～2.505G卫星定位系统的天线。实施例中的高性能介质基板材料可采用3～15的高介电常数陶瓷或改性环氧复合陶瓷作为基底，典型值可取相对介电常数为10的复合陶瓷，鱼鳍级数选3级（由3个鱼鳍片组成的阵列），陶瓷介质板的边长为10～30mm，厚度为1～4mm，典型值为20mm×20mm×3mm的长方体。
本发明采用双面敷金属良导体的矩形介质基板，在对称辐射要求下可取正方形。在基板的一面制成覆良导体的辐射贴片，该辐射贴片由分形递归的鱼鳍组成。本发明采用的鱼鳍结构单元辐射边可由一个正方形挖去某一比率半径的一系列圆（如四分之一圆、六分之一圆等）来获得，也可以由一个正方形挖去一个一定比例的系列等腰直角三角形（如边长为正方形边长的五分之四、三分之二等的等腰直角三角形）获得，且圆心或等腰直角三角形的直角都在正方形的一个角上。以一个3级鱼鳍阵为例，对于第一级鱼鳍中正方形的边长可设为9～28mm，则四分之一圆的半径可为9～28mm，正方形边长与四分之一圆的半径之间的差可以为0～3mm；第二级鱼鳍中正方形的边长可以设为6～23mm，则四分之一圆的半径可以为6～23mm，正方形边长与四分之一圆半径的差可以为0～3mm；第三级中正方形边长可设为5～19mm，四分之一圆的半径可以为5～19mm，正方形边长与四分之一圆半径的差可以为0～3mm。该典型三级鱼鳍构成了一个类似“鱼”形的分形贴片，这样加强了天线的辐射强度，增加了天线的带宽，优化了天线的方向性，同时也可以锁定北斗及GPS等导航系统的应用频段。而且，通过调整鱼鳍的数目及鳍线的弧度，可获取不同比例电磁辐射信号的强度及辐射仰角。
本发明还采用同轴馈电的形式，馈电点可以设在鱼鳍阵上，并按频点需求来调整最佳位置，对于北斗导航系统的应用，典型馈电点位置可放在最小的第三级鱼鳍上。同时该馈电点可向左右移动0.5～1mm，上下浮动1～1.5mm；并可按北斗天线不同的工作频段按需设置双馈或者多馈，实现密集多峰信号的优化采集。
本发明通过调整以上各参数的范围及鱼鳍阵的数目，优化可获取保证频点覆盖北斗卫星及GPS等导航系统的全部频段要求，且S11可以达到-10dB以下，增益可达到2.5dB以上。
与常规卫星天线相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的性能提高：
本发明采用了分形类鱼鳍阵列技术，通过各种参数的综合优化，可在实现天线的小型化的同时设置方向增益，并满足了北斗卫星和GPS等卫星通信系统的各指标要求，并且有望改善北斗或GPS等导航系统的低仰角接收特性。
由于采用了上述结构，此天线具有可变增益的全向辐射的特点，基本工作频点为2.49G,工作频段可锁定在2.85～2.5055GHz，绝对带宽优于20MHz，相对带宽优于0.8%。
由于采用了以上结构，可以通过适当地优化介质基板的边长、各级鱼鳍中的矩形的边长和比例、四分之一圆或圆弧的半径以及正方形边长与四分之一圆半径差的距离、馈电点位置，按需获得北斗及GPS等导航系统的工作频点、电磁辐射信号强度与辐射仰角。
综上所述，本发明具有结构新、尺寸小、辐射特性好、频点和辐射方向可按需调整、增益高、损耗低、结构简单、定型后生产成本低、受环境影响小等优点，完全可以满足北斗卫星导航系统对天线的基本要求。
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：1.表中数据已有一定冗余，各数据之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计。
参见图3，从图3可以看到，本实施例天线的工作频段为2.485～2.505GHz，工作频段内回波损耗都在-10dB以下，在2.49GHz处的回波损耗最小约为-32.525dB,在整个通频带内天线回波损耗(S11)性能都能满足要求。本发明天线工作频点为2.49GHz的绝对带宽优于20MHz，相对带宽优于0.8%，且本款天线为定向辐射，故可以很好地应用于北斗卫星导航系统中。
参见图4和图5，其中图4为E面方向图，图5为H面方向图。从图中可以看到这种新型天线结构有效抑制了天线的背瓣增益，提高了天线增益，使天线很好地满足了北斗卫星导航系统的要求。
本发明的制造加工误差在允许的范围内对天线各参数的影响不大。例如，当分形结构贴片各个参数值、陶瓷介质基板的尺寸、介质板敷铜层厚度、馈电点位置等误差控制在10%以内，以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在2%以内时，天线的各项参数变化不大。
Claims (5)
1.北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，其特征在于设有基板，所述基板为正方形基板，所述基板双面敷铜，在基板的一面刻蚀成正方形贴片，基板的另一面作为接地面；在正方形贴片中从大到小设有第一级鱼鳍、第二级鱼鳍、第三级鱼鳍，最大的第一级鱼鳍中正方形边长为17.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为16.75mm±0.05mm；次大的第二级鱼鳍中正方形边长为12.5mm±0.05mm，四分之一圆的半径为11.5mm±0.05mm；最小的第三级鱼鳍中正方形边长为8.75mm±0.05mm，四分之一圆的半径为7.75mm±0.05mm；在鱼鳍阵上设有馈电孔，所述馈电孔与正方形贴片连接。
2.如权利要求1所述的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，其特征在于所述基板为双面敷铜的正方形复合陶瓷介质基板，其边长为18.75mm±0.05mm，厚度为3mm±0.05mm。
3.如权利要求1所述的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，其特征在于所述馈电孔的半径为0.5mm±0.05mm。
4.如权利要求1所述的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，其特征在于所述馈电孔设在最小的第三级鱼鳍上。
5.如权利要求1所述的北斗导航系统的小型化分形鱼鳍阵列天线，其特征在于所述馈电孔通过同轴线与正方形贴片连接。
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