CN103151606A - 一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，它包括高介电常数介质基板、良导体接地反射板、N型或sma国标接头，并采用铜轴线馈电的结构形式；所述高介电常数介质基板的两面覆有金属良导体，其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片和内Koch分形贴片，所述环形外Koch分形贴片和内Koch分形贴片之间为缝隙槽结构；所述环形外Koch分形贴片上设有低频段馈电孔，所述内Koch分形贴片上设有高频段馈电孔；所述良导体接地反射板上开有四条缝隙槽，本发明具有结构新颖、尺寸小、辐射特性好、受环境因素影响小、成本低并易于集成等优点，可满足北斗卫星通信系统对天线的要求。

Description

一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线

技术领域

本发明涉及一种用于北斗卫星双频点系统的小型化Koch分形结构的高介电常数微带天线。

背景技术

自2000年以来，中国已成功发射了4颗北斗一号导航定位卫星和7颗北斗二号导航定位卫星，已建成北斗一号导航试验系统,并正在建设覆盖全球的北斗二号卫星定位系统。天线作为卫星通信系统必不可缺少的一部分，直接决定着卫星通信系统的性能。我国的北斗二号卫星通信系统工作于B1和B3频段、上行（发射频率）L频段和下行（接收频率）S频段。通常使用双频或多频来补偿电离层传播造成的延时，这就要求天线在各个频率上都具有良好的工作性能。另外，由于卫星通信信号是圆极化波，天线应该呈现圆极化。在信息技术迅猛发展的今天，随着卫星通信系统的广泛应用，对卫星通信系统接收天线的研究层出不穷，如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的以及微带天线结构，均可用于卫星通信系统的各种天线中。传统的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，但增益有限一直是微带天线的缺陷。随着数字通信技术的不断发展，无线网络不再仅仅是计算机链接网络上网的一种手段，它无线移动的优势为人们带来更为全面、新颖、快捷、廉价的沟通方式。

采用分形结构20世纪七十年代末提出的分形几何理论近年来得到广泛的重视。1990年D.L.Jaggard提出分形电动力学，确定将分形与麦克斯韦电磁理论相结合的新方向。通过设计出合适的分形结构，使得天线所占空间尺寸减小，而天线的性能基本保持不变，则达到天线小型化的目的。目前，在天线小型化方面采用的分形结构主要有Koch、Hilbert、Peano、Minkowski、3/2Curve曲线以及相应分形结构组成的阵列等。在移动通信技术领域,对分形结构天线进行深入研究具有十分重要的工程价值和理论意义。

2008年学者Zhi-hong Tu等人尝试采用方形贴片和方形环天线的设计，同样实现圆极化双频的要求。其工作频点在1.995GHz和2.105GHz，天线尺寸为30mm×30mm。天线实现小型化的设计要求，但是前面提及的天线结构式其方形环结构贴片是通过耦合馈电，性能受外部环境影响较大；其次，单通道馈电不能实现两个频段独立收发的要求。本发明在新型天线的接地板上制备了PBG结构，目前将嵌套结构、微带天线分形技术、光子带隙结构及双馈电设计结合起来，并应用于卫星系统的天线设计还未见报道。

发明内容

本发明为解决现在技术中的问题，提供一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线。它具有回波损耗低、增益高、干扰小，且具有定向辐射特性的兼容北斗多频段卫星定位系统天线。利用本发明的结构综合优化，可按需求灵活方便地锁定于北斗系列卫星定位系统中。

本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板、N型或sma国标接头，并采用铜轴线馈电的结构形式；所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体，其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2，所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板；所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3，所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4；

所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接；所述高频段馈电孔4为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与第二Koch分形环贴片2连接，而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。

其中，铜轴线的内芯中的电位为正电位，电信号通过内芯连接到天线中两个独立的Koch分形贴片单元上，实现辐射电磁波；而铜轴线外芯为负电位，起到接地的作用。

所述良导体接地反射板9其位于高介电常数介质基板5的下表面，其上开有四条缝隙槽，其边长为5mm~20mm，每个缝隙的宽度为1mm~5mm。

所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11，第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上，第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。

所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7，形状为矩形，长和宽分别为42mm~52mm，厚度为1.5mm~4mm。

所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状，所述切角为等腰直角三角形，其直角边为1.5mm~2.5mm。

所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。

所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm，外环长宽边典型值为40mm~50mm。

所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线中，所述金属良导体为铜或银。

所述嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2上的的Koch分形切角8为等边三角形。

所述Koch分形切角8不同于切角7，切角7的作用是实现圆极化，而Koch分形切角8使用Koch分形结构，目的在于实现小型化设计。Koch分形切角8为等边三角形。

所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：

(1)本发明使用了Koch分形小型化技术，利用辐射贴片的嵌套结构实现多频覆盖/高辐射电阻等优点，并结合接地面的PBG结构，通过系列技术的综合优化，实现了天线的小型化，能够很好地满足北斗卫星通信系统的要求。

(2)由于采用了以上结构，此天线具有定向辐射的特点，并且可以实现智能可控。实施例中频点为1.620GHz和2.510GHz，其工作频段对应为1.610GHz~1.630GHz和2.490GHz~2.530GHz，绝对带宽对应为20MHz和40MHz。

(3)由于采用了以上结构，我们可以合理地优化良导体辐射面上Koch分形辐射贴片的大小以及良导体接地面PBG方形孔的大小，按需覆盖北斗卫星通信系统的所有频段，使其达到优良的电磁特性。

综上所述，本发明具有尺寸小、辐射特性好、受环境因素影响小、成本低并易于集成等优点，可满足北斗卫星通信系统对天线的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的嵌套式Koch分形北斗双频天线的上表面结构示意图。

图2为本发明实施例的嵌套式Koch分形北斗双频天线的下表面结构示意图。

图3为本发明实施例1.620GHz频点的的回波损耗(S₁₁)性能图。其中横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss ofthe antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。

图4为本发明实施例2.510GHz频点的的回波损耗(S11)性能图。其中横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss ofthe antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。

图5为本发明实施例1.620GHz频点的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图6为本发明实施例2.510GHz频点的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图中各部件说明：

1、环形外Koch分形贴片；2、内Koch分形贴片；3、低频段馈电孔；4、高频段馈电孔；5、高介电常数介质基板；6、缝隙；7、切角；8、Koch分形切角；9、良导体接地反射板；10、第一缝隙槽；11、第二缝隙槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2。

本发明一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板、N型或sma国标接头，并采用铜轴线馈电的结构形式。其中高介电常数介质基板可以起到减小天线尺寸的目的；所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体，其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2，两部分分别可以形成独立的谐振频段，进行独立工作；所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板9，其作用在于使天线之间有一定的隔离度，避免辐射过程中两部分之间的串扰；所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3，所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4；

所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接；高频段馈电孔4同样为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与内Koch分形贴片2连接，而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。其中，同轴线的内芯中的电位为正电位，电信号通过内芯连接到天线中两个独立的Koch分形贴片单元上，实现辐射电磁波；而同轴线外芯为负电位，起到接地的作用。

本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电，如图2所示，这种馈电形式使得天线的回拨损耗参数更低，增益增大。

采用光子带隙技术在所述良导体接地反射板上开有四条缝隙槽，其边长为5mm~20mm，所述第一缝隙槽10和第二缝隙槽11，每个缝隙的宽度为1mm~5mm。

所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11，第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上，第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。

所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7，形状为矩形，长和宽分别为42mm~52mm，厚度为1.5mm~4mm。

所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状，所述两个贴片上的切角均为等腰直角三角形，其直角边为1.5mm~2.5mm。如图1所示的切角7。

Koch分形切角8不同于切角7，切角7的作用是实现圆极化，而Koch分形切角8使用Koch分形结构，目的在于实现小型化设计。Koch分形切角8为等边三角形。

所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。

所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm，外环长宽边典型值为40mm~50mm。

所述金属良导体为铜或银。

所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。

参见图3和图4，从图3和图4中可以看出，本发明天线的工作频段为1.610GHz~1.630GHz和2.490GHz~2.530GHz。此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，在1.620GHz处的最小回波损耗为-17.5dB；在2.510GHz处的最小回波损耗为-13.5dB，表明在整个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求指标。因而可以很好地应用于北斗与GPS等卫星通信系统中。

参见图5、图6，图5为1.620GHz频点的E面图，图6为2.510GHz频点的E面方向图。从图中我们看出本发明具有定向辐射特性，可以满足北斗卫星系统的要求，天线在1.620GHz和2.510GHz两个频点的增益分别为2dB和5dB，辐射性能优越。

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

本发明的天线各部分的尺寸对天线各项参数及效果的影响非常大，是经过了大量的创造性劳动和实验才确定的，例如，帖片尺寸、缝隙的宽度、高介电常数介质基板的尺寸等。

Claims (7)

1.一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板9、N型或sma国标接头，并采用铜轴线馈电的结构形式；所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体，其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2，所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板；所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3，所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4；

所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接；所述高频段馈电孔4为穿过基板的空洞，铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与内Koch分形贴片2连接，而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。

所述良导体接地反射板9其位于高介电常数介质基板5的下表面，其上开有四条缝隙槽，其边长为5mm~20mm，每个缝隙的宽度为1mm~5mm。

所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11，第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上，第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。

2.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，

所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7，形状为矩形，长和宽分别为42mm~52mm，厚度为1.5mm~4mm。

3.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，

所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状，所述切角为等腰直角三角形，其直角边为1.5mm~2.5mm；

所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。

4.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，

所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm，外环长宽边典型值为40mm~50mm。

5.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，

所述金属良导体为铜或银。

6.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，所述嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2上的的Koch分形切角8为等边三角形。

7.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线，其特征是，

所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。

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