CN103022731A

CN103022731A - 多频圆极化层叠式微带天线

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Publication number: CN103022731A
Application number: CN2012104954217A
Authority: CN
Inventors: 陈晓东; 俞俊生; 姚远
Original assignee: BEIJING ZHONG'OUMEI ECONOMIC TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER
Current assignee: BEIJING ZHONG'OUMEI ECONOMIC TECHNOLOGY DEVELOPMENT CENTER
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2013-04-03

Abstract

一种多频圆极化层叠式微带天线，是由多层金属片与位于每两层金属片之间的介质板叠堆在一起而构成的，通过同轴线内导体和外导体分别与上层金属片和接地板相连接进行馈电，再用两层金属片之间的电磁耦合对位于其中间层的金属片馈电，藉此组成多个圆极化的微带天线；且各层金属片与介质板的参数采用微带天线的传统设计方法，该天线的各个工作频率相对独立，能实现任意多频点的组合。各频段内的辐射特性和谐振特性分别取决于相应位置的上层金属片和介质板。优点是：结构简单、紧凑，成本低，易实现；只需单端口馈电接口就能接收多个频段卫星信号，且不用功分器、耦合器和移相网络等电路，使得发射接收电路简单，还有尺寸小、波束宽度大等优点。

Description

多频圆极化层叠式微带天线

技术领域

本发明涉及一种无源微波传输器件，确切地说，涉及一种多频圆极化层叠式微带天线，属于微波传输技术领域。

背景技术

近年来，GPS的L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）和L5（1176.45MHz）频段逐渐开放，中国北斗卫星导航系统（CNSS）也处于不断成熟之中。目前已经开放的北斗卫星导航系统的上行L频段为1610~1626.5MHz，下行S频段为2483.5~2500MHz。随着卫星导航定位需求的增加，卫星定位导航系统可能需要工作于多个频段，并且，由于需要GPS和CNSS两个系统兼容工作，以便能够实现两个导航系统的优劣互补，使卫星导航应用更加成熟、全面。这些需求都要求无线接收机的天线必须工作在圆极化和多频段。

微带天线因其具有尺寸小、成本低、易加工等特点，在卫星通信及卫星导航领域都得到了广泛使用。微带天线大都采用高介电常数的介质，具有带宽较宽、良好的广角圆极化特性。由于导航卫星是发射右旋圆极化的导航信号，故要求导航终端的天线在各工作频段上应具有良好的右旋圆极化特性。

但是，现有的微带天线存在下述缺陷：或不能实现多频的特性，或虽然可以工作于多个频点，但其需要多个馈电接口；这样就需要相应的耦合器或移相网络等电路，使得天线的结构复杂，不利于实现小型化和微型化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于卫星信号接收的多频圆极化层叠式微带天线，该天线只需一个端口馈电接口就能接收多个频段卫星信号，且不需使用功分器、耦合器和移相网络等电路，从而使得发射接收电路比较简单，容易安装；同时还具有尺寸小、波束宽度大等优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多频圆极化层叠式微带天线，其特征在于：所述天线是采用多层金属片与位于每两层金属片之间的介质板叠堆在一起而构成的多个圆极化的微带天线：通过同轴线内导体和外导体分别与上层金属片和接地板相连接进行馈电，并利用上层金属片与下层金属片之间的电磁耦合方式对位于其中间层的金属片进行馈电，藉此架构组成多个圆极化的微带天线：顶层金属片、顶层介质板和第二层的金属片形成一个工作于最高频率的微带天线，第二层金属片、第二层介质板和第三层金属片形成工作于次高频点的微带天线；直至底层金属片、底层介质板与接地板形成工作于最低频点的微带天线；且各层金属片与介质板的参数设计采用微带天线的传统方法，该天线的各个工作频率相对独立，能够实现任意多频点的组合。

所述天线在各个频段内的辐射特性和谐振特性分别取决于相应位置的上层金属片和介质板的电参数。

所述天线的金属片和介质板为矩形或正方形，且后者居多。

所述天线的介质板的选择相对固定，供选择的不同介电常数材料包括：2.65、3.48、4.4或9.8多种；故该天线的参数与性能的设计关键是各层金属片。

在设定介质材料后，所述天线的谐振频率决定于金属片的尺寸；正方形金属片的谐振频率与其边长之间的对应关系为：谐振频率

其中，c为真空中的光速，L为正方形微带天线的长度，ε_r为介质材料为r的相对介电常数。

所述天线的馈电位置决定了该天线在谐振时的输入阻抗：由空腔模型获知矩形金属片的TM01模式的输入阻抗R₀₁的计算公式为:

其中，L和W分别为矩形金属片的长度和宽度，h为介质板高度，Q为天线的品质因数，λ₀为真空中电磁波的波长，ε_r为介质材料为r的相对介电常数，d为馈电位置与矩形金属片边缘的距离。

根据微带天线的空腔模型理论，所述天线引入简并模分离单元能够实现圆极化特性，且根据馈电位置的不同有两种分离方式：位于金属片的中轴线上，或位于金属片的对角线上。

所述天线的金属片开设槽孔，能够减小天线尺寸，提高极化纯度和增加带宽；且槽孔的形状包括矩形、U型或T型的多种，形状、尺寸与位置合适的槽孔的天线性能与效果更理想。

本发明多频圆极化层叠式微带天线的优点是：结构简单、紧凑，制造成本低廉，容易实现。该天线只需一个端口馈电接口就能接收多个频段卫星信号，且不需使用功分器、耦合器和移相网络等电路，从而使得发射接收电路比较简单，容易安装；同时还具有尺寸小、波束宽度大等优点。因此，该天线具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明多频圆极化层叠式微带天线结构组成示意图。

图2（A）、（B）分别是A型和B型分离方式的各自4种常用的实现圆极化示意图。

图3（A）、（B）、（C）分别是对天线进行切角实现圆极化特性图。

图4是本发明实施例微带天线在电磁仿真软件HFSS中的仿真模型示意图。

图5是本发明实施例微带天线的回波损耗图。

图6是本发明实施例微带天线的轴比图。

图7（A）、（B）分别是本发明实施例微带天线分别在f＝1280MHz和f＝1110MHz时的右旋圆极化增益图和左旋圆极化增益图，该两图中的两条曲线分别表示phi=0度和phi=90度时的增益。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

图4回波损耗，图5轴比，af＝1280MHz，bf＝1110MHz图6

参见图1，介绍本发明的一个实施例：由三层微带天线堆叠形成多频圆极化层叠式微带天线的结构组成：该天线是采用三层金属片1、3、5与位于每两层金属片之间的三层介质板2、4、6和一个拉地板7叠堆在一起而构成的三个圆极化的微带天线。通过馈电同轴接头8的内导体和外导体分别与上层金属片和接地板相连接进行馈电，并利用上层金属片与下层金属片之间的电磁耦合方式对位于其中间层的金属片进行馈电，藉此架构组成三个圆极化的微带天线：该天线顶层金属片1、顶层介质板2（顶层介质的厚度为hu）和中间层的金属片3形成一个工作于最高频率的微带天线，中间层金属片3、中间层介质板4（中间层介质的厚度为hm）和底层金属片5形成工作于中间频点的微带天线；底层金属片5、底层介质板6（底层介质的厚度为hl）与接地板7形成工作于低频率点的微带天线。其中，Ws为天线的宽度，Ls为天线的长度，d为馈电位置与顶层金属边沿的距离，该天线的三个工作频率相对独立，能够实现任意多频点的组合。

该天线的各层金属片1、3、5和介质板2、4、6通常采用矩形，实际应用则以正方形较多。

本发明微带天线在各个频段内的辐射特性和谐振特性分别由相应层的金属片和介质板来决定。例如顶层金属片1和顶层介质板2的电参数决定了该天线的最高的谐振频率和辐射特性；而中间层金属片3和中间层介质4、底层金属片5和底层介质6分别决定了另外两个天线的工作频率和辐射特性。

每层金属片1、3、5与各层介质板2、4、6的设计参数都是采用微带天线的传统设计方法，主要考虑的技术问题如下：

介质板材料与性能的选择相对比较固定，现在常用板材的介电常数有：2.65、3.48、4.4、9.8等等。故各层金属片的设计是该天线的参数与性能的设计关键。

对于给定的介质，天线的谐振频率决定于金属片的尺寸。对于正方形金属片来说，其谐振频率与其边长之间的对应关系公式为：谐振频率

天线的馈电位置能够决定该天线在谐振时的输入阻抗：由空腔模型获知，矩形金属片的TM01模式的输入阻抗R₀₁的计算公式为:

其中，L和W分别为矩形金属片的长度和宽度，h为介质板高度，Q为天线的品质因数，λ₀为真空中电磁波的波长，ε_r为介质材料为r的相对介电常数，d为馈电位置与矩形金属片边缘的距离（参见图1所示）。

根据微带天线的空腔模型理论，圆极化特性是天线通过引入简并模分离单元来实现的，根据不同的馈电位置可以分为下述两种分离方式（参见图2所示的A型和B型分离方式的示例）：A型分离方式的馈电位置位于金属片中轴线上，B型分离方式的馈电位置位于金属片的对角线上。

还可以采用传统技术，对天线的金属片开设槽孔，以实现减小天线的尺寸，提高极化纯度和增加带宽等优点。且开设的槽孔形状多种多样（参见图3所示）：如矩形槽、U型槽和T型槽等。巧妙选择开槽的形状、尺寸与位置可以达到比较理想的效果。

下面结合各个附图，介绍本发明工作于双频的圆极化层叠式微带天线的仿真实施例的实验测试结果：

图4是该实施例微带天线在电磁仿真软件HFSS中的仿真模型示意图。

参见图5，介绍本发明实施例微带天线馈电端口的反射系数。图中，横坐标为频率（从1GHz到1.4GHz），纵坐标为以dB为单位的反射系数。从图5中可以看出：该实施例天线在在其两个工作频段（1110MHz和1280MHz）的附近谐振良好，反射系数均在-10dB以下，说明该实施例微带天线在两个工作频段内的阻抗匹配效果良好，达到了设计要求。。

参见图6，介绍本发明实施例微带天线在最大辐射方向上的轴比（AR）与频率的关系图，其横坐标为频率，纵坐标为以dB单位的轴比。从图6中可以看出：该实施例天线在其两个工作频段（1110MHz和1280MHz）内的轴比均在-6dB以下，说明该实施例微带天线的工作频段达到了良好的极化效果，实现了比较理想的圆极化特性，可以满足设计要求。

参见图7，介绍本发明实施例微带天线在两个工作频段内的辐射特性方向图，其横坐标表示球坐标系中的theta，单位为度；纵坐标为以dB为单位的增益，由图6可以看出：在1280MHz时，天线增益大于-3dBi的波束角为140度。在1110MHz时，天线增益大于-3dBi的波束角为100度，可以满足设计要求。

总之，本发明实施例微带天线的各项参数指标都达到比较理想的要求。可以满足大部分移动GPS终端的应用的要求。因此，实施例的试验是成功的，实现了发明目的。

Claims

1.一种多频圆极化层叠式微带天线，其特征在于：所述天线是采用多层金属片与位于每两层金属片之间的介质板叠堆在一起而构成的多个圆极化的微带天线：通过同轴线内导体和外导体分别与上层金属片和接地板相连接进行馈电，并利用上层金属片与下层金属片之间的电磁耦合方式对位于其中间层的金属片进行馈电，藉此架构组成多个圆极化的微带天线：顶层金属片、顶层介质板和第二层的金属片形成一个工作于最高频率的微带天线，第二层金属片、第二层介质板和第三层金属片形成工作于次高频点的微带天线；直至底层金属片、底层介质板与接地板形成工作于最低频点的微带天线；且各层金属片与介质板的参数设计采用微带天线的传统方法，该天线的各个工作频率相对独立，能够实现任意多频点的组合。

2.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述天线在各个频段内的辐射特性和谐振特性分别取决于相应位置的上层金属片和介质板的电参数。

3.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述天线的金属片和介质板为矩形或正方形，且后者居多。

4.根据权利要求2所述的微带天线，其特征在于：所述天线的介质板的选择相对固定，供选择的不同介电常数材料包括：2.65、3.48、4.4或9.8多种；故该天线的参数与性能的设计关键是各层金属片。

5.根据权利要求4所述的微带天线，其特征在于：在设定介质材料后，所述天线的谐振频率决定于金属片的尺寸；正方形金属片的谐振频率与其边长之间的对应关系为：谐振频率其中，c为真空中的光速，L为正方形微带天线的长度，ε_r为介质材料为r的相对介电常数。

6.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述天线的馈电位置决定了该天线在谐振时的输入阻抗：由空腔模型获知矩形金属片的TM01模式的输入阻抗R₀₁的计算公式为:

7.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：根据微带天线的空腔模型理论，所述天线引入简并模分离单元能够实现圆极化特性，且根据馈电位置的不同有两种分离方式：位于金属片的中轴线上，或位于金属片的对角线上。

8.根据权利要求1所述的微带天线，其特征在于：所述天线的金属片开设槽孔，能够减小天线尺寸，提高极化纯度和增加带宽；且槽孔的形状包括矩形、U型或T型的多种，形状、尺寸与位置合适的槽孔的天线性能与效果更理想。