CN103022685A

CN103022685A - 北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线

Info

Publication number: CN103022685A
Application number: CN2013100208289A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 李立之; 赵阳; 周建华; 周志微; 彭丹; 霍丽霞; 陈慕雄
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-04-03

Abstract

北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，涉及一种三角形双频微带天线。设有介质基板，介质基板的两个表面上敷有导体，在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片，在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙，3个长方形缝隙连成人字型，长方形的长为5～8mm、宽为0.5～1mm；平行于三角形的三边外加载长方形贴片，长方形贴片的长为15～28mm，宽为0.5～3mm；长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连，矩形长为2～6mm，宽为0.5～2mm；介质基板下表面的导体面作为接地。尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小。

Description

北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线

技术领域

本发明涉及一种三角形双频微带天线，尤其是涉及一种用于北斗卫星系统的小型化收发一体的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线。

背景技术

卫星导航系统是重要的空间基础设施，能够广泛用于社会生活的各个方面，具有重大的政治、军事、社会意义，也能够为人类带来巨大的经济效益。我国作为幅员辽阔、人口众多的最大发展中国家，有必要拥有自己的卫星导航系统。

迄今为止，我国发射的北斗卫星已基本构建了北斗卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统（BeiDou）是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航定位系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，突出特点是：卫星数目少，用户终端设备简单，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性四项原则。

然而天线作为卫星通信系统必不可缺少的一部分，它决定着卫星通信系统的性能。由于北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，所以用户设备必须包含发射机，这就对北斗终端天线提出来较高的要求。北斗卫星导航定位系统工作于上行L频段（左圆极化）、下行S频段（右圆极化）。同时，北斗系统用户端为了和其它卫星导航系统实现兼容，也要求天线在双频段或多频段具有良好的性能。因此，北斗天线的多频化和圆极化就成了研究的目标和重点。

随着卫星通信系统的广泛应用，各种天线已经运用在卫星系统中，如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的，以及微带天线，均可用于卫星通信系统的各种天线中。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。圆极化技术和多频技术的结合是近年研究的重点内容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线。

通过本发明的加载技术，可以实现3个相位相差60°的电流，再结合优化调整缝隙和桥接部分可实现相位匹配，在北斗收发频段实现双频圆极化。

本发明设有介质基板，所述介质基板的两个表面上敷有导体，在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片，在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙，3个长方形缝隙连成“人”字型，每个长方形的长为5～8mm、宽为0.5～1mm；平行于三角形的三边外加载长方形贴片，长方形贴片的长为15～28mm，宽为0.5～3mm；长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连，矩形长为2～6mm，宽为0.5～2mm；介质基板下表面的导体面作为接地。

所述介质基板的介电常数可为9～15，最好为10，所述介质基板可采用圆柱形介质基板等，所述介质基板的半径可为10～30mm，厚可为2～4mm，最好半径为20mm，厚为3mm；所述介质基板可采用陶瓷介质基板。

所述导体可采用铜或银等。

本发明利用开缝隙和加载使简并模分离产生两个正交极化的相位差90°的简并模，再通过寻找两个馈点的位置实现双频，从而实现了双频圆极化。通过调整缝隙和加载的贴片的大小可灵活控制频点位置及增益。

本发明的设计频率为双频，其频段分别为1.56～1.64G与2.44～2.56G，可覆盖了北斗卫星及卫星定位系统的工作频段。

本发明与常规微带天线相比具有以下优点：

1.易于实现圆极化。由于同时采用了加载技术和缝隙匹配，形成了3个互成60°的电流，又可以设置馈电位置来使电流正交极化，最后利用缝隙和桥接分别实现双频点的相位匹配。

2.易于实现双频特性。由于采用了双同轴馈电的方式和以上结构，方便在不同的位置实现相位和阻抗匹配。具有双频工作频带：L频段与S频段，L频段为1.56～1.66GHz，绝对带宽为0.1GHz，相对带宽为6.2%；S频段为2.47～2.5GHz，绝对带宽为0.03GHz，相对带宽为1.2%。

3.尺寸比传统天线要小。一是采用了高介电常数基板，使得微带缝隙阵列天线的尺寸得到了进一步的缩小。二是采用了上述加载耦合方法，使得结构更加紧凑。

综上所述，本发明具有尺寸适中、结构简单、双频工作、带宽大、辐射特征好、受环境因素影响小、成本低、易集成等优点，可达到北斗卫星与GPS导航等卫星通信系统对天线的要求。

本发明中采用了加载和开缝隙的结构，通过改变缝隙和加载贴片的参数、结构、数目来实现圆极化和双频特性，其对应的可调频率比的变化范围大。完全可以满足北斗卫星通信系统的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的侧面示意图。

图3为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。在图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 the Antenna(dB)；坐标为直角坐标。

图4为本发明实施例的回波损耗(S₂₂)性能图。在图4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 the Antenna(dB)；坐标为直角坐标。

图5为本发明实施例在L频段的E面方向图。在图5中，坐标为极坐标。

图6为本发明实施例在L频段的H面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例在S频段的E面方向图。在图7中，坐标为极坐标。

图8为本发明实施例在S频段的H面方向图。在图8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。

参见图1和2，图中标记1为介电常数为10的圆形介质基板，其半径为20mm。在介质基板的两面覆有铜，上表面为开缝加载的覆铜层2，其基本形状是三角形。在覆铜层2的三角形贴片中分别以三个顶角和中心的连线为轴，以中心为起点开长方形缝隙，组成人字形型，长方形缝隙的相关参数对应如下：长为6.8±0.1mm、宽为1±0.1mm。同时，沿着三角形的三边加载长方形贴片，长方形贴片的长为22.32±0.1mm，宽为2±0.1mm。长方形贴片和三角形边线中心相连，相连处采用矩形，矩形长为4±0.1mm，宽为1.3±0.1mm。介质基板1的整个下表面都覆有铜层3，作为微带天线的反射板。图中标记3和4为馈孔，都是半径为0.5mm±0.1mm，高度为3mm±0.2mm，穿过介质板的空心圆柱；标记4为同轴馈电。本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电，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，而铜轴线的外芯与介质板下表面的反射板相连。

参见图3和4，从图中可以看出，本发明天线的工作频段为1.56～1.66GHz与2.47～2.5GHz。在这两个工作频段内天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下，在L频段内的最小回波损耗为-25.8947dB，S频段内的最小回波损耗为-28.5733dB。从上可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性情都能达到要求。本发明天线在L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.1GHz与6.2%；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.03GHz与1.2%，好于一般的贴片微带天线，可以很好地应用于北斗卫星系统中。

参见图5～8，其中图5和6为1.616GHz时的E面图和H面图，图7和8为2.49GHz时的E面图和H面图。从图中可看出，本发明具有定向辐射特性。可满足卫星通信系统的要求。

在圆形微带天线背面采用2个同轴线正交合成馈电，一个在人字形槽下方距离三角形中心在接地板的投影4～6mm处，另一个是在第一个馈点以三角中心为轴转动120°～150°，距离三角形中心在接地板的投影4～6mm处。

表1给出本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

表1

注：表1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，可根据需优化结构参数完成特殊设计。

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，帖片上尺寸、缝隙的宽度、缝隙与各边的间距、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2%以内，以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在5%以内时，天线的各项参数变化不大。

Claims

1.北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于设有介质基板，所述介质基板的两个表面上敷有导体，在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片，在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙，3个长方形缝隙连成“人”字型，每个长方形的长为5～8mm、宽为0.5～1mm；平行于三角形的三边外加载长方形贴片，长方形贴片的长为15～28mm，宽为0.5～3mm；长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连，矩形长为2～6mm，宽为0.5～2mm；介质基板下表面的导体面作为接地。

2.如权利要求1所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述介质基板的介电常数为9～15。

3.如权利要求2所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述介质基板的介电常数为10。

4.如权利要求1所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述介质基板采用圆柱形介质基板，所述介质基板的半径为10～30mm，厚为2～4mm。

5.如权利要求4所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述介质基板的半径为20mm，厚为3mm。

6.如权利要求1所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述介质基板采用陶瓷介质基板。

7.如权利要求1所述的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，其特征在于所述导体采用铜或银。