CN103094681A

CN103094681A - Csrr阵列叠层耦合北斗双频微带天线

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Publication number: CN103094681A
Application number: CN2013100199152A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 李立之; 周涛; 周建华; 周志微; 梁冰洋; 肖振宁; 陈婧薇
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: CN103094681B

Abstract

CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，涉及一种微带天线。设上下层介质基板，两基板叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有开槽上正方形贴片，开槽上正方形贴片采用互补金属开口谐振环，互补金属开口谐振环由两个一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合，且距离上正方形贴片的两边距离相等；两环在一边的中点处有开口。在上正方形贴片中心处以一条对角线为轴开长方形缝隙；在上正方形贴片四边的中点向内开长方形缝隙，轴为中点连线；在下层介质基板上表面雕刻带开槽和切角的下正方形贴片，在下正方形贴片四边的中点设有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，并有一对角被切角。

Description

CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线

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系统的CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线。

背景技术

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）。目前该导航系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时和报文功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

天线是卫星的核心关键技术之一，它决定着卫星通信系统的性能。随着卫星技术的飞速发展，人们对其天线在宽带化、小型化和多频化等方面提出了更高的要求。而且北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，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。因此，对北斗天线的多频化和圆极化的研究具有重要的参考价值和实用意义。

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它具有剖面低、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。目前已在移动通信，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。其中贴片的形状是影响天线性能的重要因素之一，它直接影响着天线的带宽，频率，增益和极化等指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种覆盖北斗卫星定位系统的工作范围，可以减小天线尺寸，有助于实现天线的小型化，可实现较高双频隔离度，可满足北斗天线尺寸小、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要求的CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线。

本发明设有上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和下层介质基板相互叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有开槽正方形贴片，开槽正方形贴片采用互补金属开口谐振环(CSRR)，互补金属开口谐振环由两个一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合，且距离正方形贴片的两边距离相等，外环边长2～6mm，内环边长1～3mm，环宽均为0.2～0.6mm；两环在一边的中点处有开口，均是边长为0.2～0.6mm的正方形，开口环呈C字型。在正方形贴片中心处以一条对角线为轴开长方形缝隙，缝隙的长为1.5～6mm，宽为0.5～3mm；在正方形贴片四边的中点向内开长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为2～6mm，宽为1～3mm；利用开槽来分离产生两个正交极化的相位差90°的简并模，从而实现圆极化；在下层介质基板上表面雕刻带开槽和切角的正方形贴片，在正方形贴片四边的中点设有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为5～7mm，宽为2～4mm，并有一对角被切角，切角形状为等腰直角三角形，腰长为0.8～2mm；下层介质基板背面涂敷有良导体，作为接地板。

所述上层介质基板和下层介质基板的材质可采用介电常数为9～15的材料，典型相对介电常数为10，上层介质基板和下层介质基板可采用正方形结构，边长为30～50mm，厚为2～4mm，边长典型值为40mm，厚典型值为3mm。

所述良导体可采用铜或银。所述距离正方形贴片的两边距离均为2～4mm。

本发明中采用了双层贴片结构，同时通过改变贴片的形状来实现圆极化特性，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。

本发明引入CSRR阵列实现了天线频点的可调性，覆盖了北斗卫星定位系统的工作范围。此外，采用CSRR阵列阵列技术可以减小天线尺寸，结合介电性能好的陶瓷或改性环氧复合陶瓷板基底，有助于实现天线的小型化。由于采用叠层耦合双馈电结构，实现了较高的双频隔离度。可满足北斗天线尺寸小、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要求。

本发明与常规微带天线相比具有以下优点：

采用叠层耦合双馈电结构，实现了具有较高隔离度的双频特性。本发明具有双频工作频带，如：L频段与S频段，L频段为1.60～1.62GHz，绝对带宽为0.02GHz，相对带宽为1.2%；S频段为2.43～2.56GHz，绝对带宽为0.13GHz，相对带宽为5.2%。可覆盖北斗卫星及卫星定位系统的工作频段。

由于采用了高介电常数基板和互补金属开口谐振环(CSRR)技术，使得天线的尺寸得到了进一步的缩小。

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。

附图说明

图1为本发明实施例的CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线侧面示意图。

图2为本发明实施例的CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线上层介质基板上表面示意图。

图3为本发明实施例的CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线上层介质基板下表面示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。图4中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。

图5为本发明实施例的回波损耗(S₂₂)性能图。图5中的横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。

图6为本发明实施例在L频段的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图7为本发明实施例在L频段的H面方向图。在图中坐标为极坐标。

图8为本发明实施例在S频段的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图9为本发明实施例在S频段的H面方向图。在图中坐标为极坐标。

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1～3，本发明设有上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和下层介质基板相互叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有开槽正方形贴片，开槽正方形贴片采用互补金属开口谐振环(CSRR)，互补金属开口谐振环由两个一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合，且距离正方形贴片的两边距离相等，外环边长2～6mm，内环边长1～3mm，环宽均为0.2～0.6mm；两环在一边的中点处有开口，均是边长为0.2～0.6mm的正方形，开口环呈C字型。在正方形贴片中心处以一条对角线为轴开长方形缝隙，缝隙的长为1.5～6mm，宽为0.5～3mm；在正方形贴片四边的中点向内开长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为2～6mm，宽为1～3mm；利用开槽来分离产生两个正交极化的相位差90°的简并模，从而实现圆极化；在下层介质基板上表面雕刻带开槽和切角的正方形贴片，在正方形贴片四边的中点设有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为5～7mm，宽为2～4mm，并有一对角被切角，切角形状为等腰直角三角形，腰长为0.8～2mm；下层介质基板背面涂敷有良导体，作为接地板。

上层介质基板2和下层介质基板4均采用介电常数为10的正方形介质基板，其边长为40mm。在上层介质基板2的上表面和下层介质基板4的两面均覆有铜，上层介质基板2的上表面为采用了CSRR技术的覆铜层，其基本形状是正方形，形成上正方形贴片1，在上正方形贴片1的中心处以一条对角线为轴开长方形缝隙，缝隙的长为3±0.1mm，宽为1±0.1mm。在上正方形贴片1的四边中点有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为3±0.1mm，宽为1.5±0.1mm。在上正方形贴片1的四角分别采用互补金属开口谐振环(CSRR)技术。其中互补金属开口谐振环由两个一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合，且距离上正方形贴片1的两边距离相等，均为3.3±0.1mm，外环边长4.4±0.1mm，内环边长2.8±0.1mm。环宽均为0.4±0.1mm。两环在一边的中点处有开口，均是边长为0.4±0.1mm的正方形，开口环成C字型。在下层介质基板4的上表面有边长为20.4±0.1mm的下正方形贴片3，在边长中点有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为5.5±0.1mm，宽为3.5±0.1mm。并且切去了正方形的其中一对角，切角为等腰直角三角形，腰长为1.2±0.1mm。

图中标注5和6为同轴馈电，半径都为0.5mm±0.1mm的空心圆柱，其中同轴馈电5穿过上层介质基板2、下正方形贴片3、下层介质基板4对上正方形贴片1进行馈电，高度为6mm±0.3mm。而同轴馈电6是穿过下层介质基板4对下正方形贴片3进行馈电。高度为3mm±0.2mm。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反射系数更低，增益增大。其中铜轴线的内芯通过馈孔与帖片连接，而铜轴线的外芯与下层介质基板下表面的反射板相连。

参见图4和图5，从图4和图5中可以看出，本发明天线的工作频段为1.60～1.62GHz与2.43～2.56GHz。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－23.1366dB，S频段内的最小回波损耗为－26.2863dB。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：0.02G与1.2%；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.13GHz与5.2%，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6～9，其中图6和7为1.616GHz时的E面图和H面图，图8和9为2.49GHz时的E面图和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。

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.CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于设有上层介质基板和下层介质基板，所述上层介质基板和下层介质基板相互叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有开槽正方形贴片，开槽正方形贴片采用互补金属开口谐振环，互补金属开口谐振环由两个一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合，且距离正方形贴片的两边距离相等，外环边长2～6mm，内环边长1～3mm，环宽均为0.2～0.6mm；两环在一边的中点处有开口，均是边长为0.2～0.6mm的正方形，开口环呈C字型；在正方形贴片中心处以一条对角线为轴开长方形缝隙，缝隙的长为1.5～6mm，宽为0.5～3mm；在正方形贴片四边的中点向内开长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为2～6mm，宽为1～3mm；利用开槽来分离产生两个正交极化的相位差90°的简并模，实现圆极化；在下层介质基板上表面雕刻带开槽和切角的正方形贴片，在正方形贴片四边的中点设有向内的长方形缝隙，轴为中点连线，缝隙的长为5～7mm，宽为2～4mm，并有一对角被切角，切角形状为等腰直角三角形，腰长为0.8～2mm；下层介质基板背面涂敷有良导体，作为接地板。

2.如权利要求1所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板的材质采用介电常数为9～15的材料。

3.如权利要求2所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述介电常数为10。

4.如权利要求1所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板采用正方形结构。

5.如权利要求4所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述正方形结构的边长为30～50mm，厚为2～4mm。

6.如权利要求5所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于边长为40mm，厚为3mm。

7.如权利要求1所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述良导体采用铜或银。

8.如权利要求1所述CSRR阵列叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述距离正方形贴片的两边距离均为2～4mm。