CN103199336B - 应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线 - Google Patents

Abstract

应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，涉及一种微带贴片天线。提供回波损耗低、增益高、干扰小、高对称性、高集成度、小型化且具有定向辐射特性的兼容北斗频段卫星定位系统的一种应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线。设有基板，在基板两个表面上敷有金属层，其中，一表面金属层加工成带切角的外框与内辐射贴片的双框，外框的内沿上制备有矩形切口，内外通过四桥跨接成内辐射贴片与外辐射贴片对称结构；另一表面金属层为接地板。使用了带切口四桥跨接微带贴片天线结构，并在辐射元上使用了分布加载技术，通过系列技术的综合优化，实现了天线的进一步小型化，能够很好地满足北斗卫星通信系统的要求。

Description

应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线

技术领域

本发明涉及一种微带贴片天线，尤其是涉及一种应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线。

背景技术

自2000年以来，中国已成功发射了多颗北斗一号导航定位卫星和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。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。

微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线，因其固有的优点而得到了广泛的应用，但其也存在增益较小、方向性差、表面波的存在、带宽不足等缺点。所以对微带天线进行深入研究具有十分重要的工程价值和理论意义。在微带天线设计中加载耦合腔技术是天线工程中常用的实现小型化的方法，通过在天线的适当位置加载电阻、电抗或导体来改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率，或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。加载的元件可以是无源器件也可以是有源网络，可以是线性元件也可以是非线性的，实际工程中最常用的是无源加载，如顶部加载、介质加载、串联分布加载、集中加载等。对于工作频率不高的情况常采用集中加载，而在工作频率较高时则采用分布加载，因此通过加载技术是实现天线小型化最有效的途径。

发明内容

本发明的目的在于提供回波损耗低、增益高、干扰小、高对称性、高集成度、小型化且具有定向辐射特性的兼容北斗频段卫星定位系统的一种应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线。

本发明设有基板，在基板两个表面上敷有金属层，其中，一表面金属层加工成带切角的外框与内辐射贴片的双框，外框的内沿上制备有矩形切口，内外通过四桥跨接成内辐射贴片与外辐射贴片对称结构；另一表面金属层为接地板。

所述基板可采用陶瓷介质基板，所述陶瓷介质基板的相对介电常数大于8，所述陶瓷介质基板可采用正方形陶瓷介质板，正方形陶瓷介质板的边长可为15～45mm，厚度可为2～5mm，优选尺寸为40.5mm×40.5mm×3mm；所述金属层可采用银层或铜层等。

所述外辐射贴片可采用带切角的方形套框外辐射贴片结构，所述带切角的方形套框外辐射贴片结构的边长15～30mm，所述带切角的方形套框外辐射贴片结构的切角大小边长可为2～2.5mm。

所述内辐射贴片可采用带切角的方形内辐射贴片结构，所述带切角的方形内辐射贴片结构的边长可为10～25mm，所述带切角的方形内辐射贴片结构的切角大小的边长可为1.5～2mm。

所述外辐射贴片与内辐射贴片的间隙可为0.5～1.0mm。

所述外框中带有以完整矩形框边长中心为对称而均匀分布的矩形加载切口，切口的长度为1.8～2.2mm，宽度可为1～1.5mm，相互之间距离可为1.8～2.2mm，分布于外框的矩形加载切口可设有20个。

所述外框与内辐射贴片4条边之间带有对称均匀分布的4个跨接导电桥，导电桥可以为矩形、梯形等结构，矩形导电桥宽度可为0.5～1mm。

所述内辐射贴片上设有馈电点，所述馈电点的直径可为0.8～1mm，馈电点穿透基板的圆柱孔，该圆柱孔的圆心相对于中心点的水平距离可为4.5～7.5mm。

本发明采用合理的优化良导体辐射面双框的比例、切角大小、外框内沿切口尺寸、跨接桥匹配及馈电点的位置，可按需调整电特性从而覆盖北斗系统的上下行工作频段及终端天线圆极化的轴比和圆极化的旋向,具有优良的电磁特性。

利用本发明的结构综合优化，双框结构可以触发两个工作频点，同时与分布加载技术相结合，可以在双框小型化的前提下覆盖北斗不同频率，并且通过不同对角线上切角实现左右两种圆极化的辐射特性，可按需求灵活方便锁定于北斗系列卫星定位系统和其他导航系统中，也有望兼容其他通信频段。

与常规的微带天线相比，本发明具有如下优点：

本发明使用了带切口四桥跨接微带贴片天线结构，并在辐射元上使用了分布加载技术，通过系列技术的综合优化，实现了天线的进一步小型化，能够很好地满足北斗卫星通信系统的要求。

由于采用了以上结构，实现了天线外框内沿开矩形切口加载，可以在基本不改变外框工作频点的条件下，方便在更大范围内调节内贴片的工作频点。

由于采用了以上结构，实现了天线内外辐射单元的跨4个桥直接耦合，增强内外框的耦合程度，使此天线低频点获得较高的增益。

由于采用了以上结构，实现了天线内外辐射单元的跨桥耦合，可以比较方便地调整内外耦合阻抗，可以更方便地调节天线馈电点的位置。

由于采用了以上结构，实现了天线辐射圆极化特性的控制，方便地使此天线具有低频左旋极化，高频右旋极化的特点。

由于采用了以上结构，可以合理地优化良导体辐射面双框的比例、切角大小、外框内沿切口尺寸、跨接桥匹配及馈电点的位置，可按需调整电特性从而覆盖北斗系统的上下行工作频段及终端天线圆极化的轴比和圆极化的旋向,具有优良的电磁特性。

综上所述，本发明具有高对称性、高集成度、小型化、辐射特性好、增益高等优异的综合特性，并且具备成本低、易于集成等优点，可满足北斗卫星通信系统对天线的要求。

本发明在天线辐射片的适当位置开有矩形切口，形成分布加载结构，有效地改善了内辐射贴片受外框的影响而造成的频率偏移，从而获取了良好的适合于北斗导航的双频天线辐射方向图。

本发明的新型天线采用的在不同对角线上带切角的双框、内外跨桥联接的结构，在外框内边沿上用切口的方法制备了分布加载结构，将这些技技术及新颖结构巧妙地结合起来，并应用于北斗系统的天线设计还未见报道。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的主视结构示意图。

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Return loss(dB)；坐标为直角坐标。

图4为本发明实施例1.616GHz频点的E面及H面方向图。在图4中，曲线a为E plane，曲线b为H plane；坐标为极坐标。

图5为本发明实施例2.492GHz频点的E面及H面方向图。在图5中，曲线a为E plane，曲线b为H plane；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，本发明实施例设有双面镀铜的陶瓷介质基板1，其长为40.5mm，宽为40.5mm，高为3mm。在陶瓷介质基板1的两面覆有铜，其上表面良导体加工成带切角为3和5的内框2与外框4，内框2与外框4之间的间隙为0.5mm，并且通过四桥7跨接的对称结构辐射贴片，其中在外框内边沿均匀分布有矩形加载切口6。矩形加载切口6的长为2.0±0.01mm，宽为1.25±0.01mm，相互之间为2.0±0.01mm。陶瓷介质基板1的下表面为完整结构的接地板。图1中标注8为馈电点，它的半径为1mm±0.01mm，是高度为3mm±0.01mm穿过陶瓷介质基板的空心圆柱。

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S11更低，增益增大。其中，铜轴线的内芯通过馈孔与矩形贴片2连接，而铜轴线的外芯与陶瓷介质板下表的接地板9相连。

参见图3，从图3中可以看出，本发明天线的第一个工作频段为1.600～1.625GHz，此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，绝对带宽25MHz，在1.610GHz处m1的最小回波损耗为-18.4139dB；本发明天线的第二个工作频段为2.480～2.510GHz，此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，绝对带宽30MHz，在2.490GHz处m2的最小回波损耗为-17.6172dB。表明在本天线在这两个工作频段的回波损耗性能都达到要求指标，因而可以很好地应用于北斗卫星通信系统中。

参见图4和图5，图4为1.616GHz频点的E面及H面方向图，图5为2.492GHz频点的E面及H面方向图。从图中可以看出，本发明具有定向辐射特性，可以满足北斗卫星与其他导航系统的要求，辐射性能优越。

表1及表2给出了本发明的制造加工误差对天线特性两个工作频点（1.616GHz和2.492GHz）的影响情况。

表1（1.616GHz）

表2(2.492GHz)

注：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，可根据需求特殊设计。

本发明的制造加工误差对天线各参数的影响非常大，需要制作过程非常精细。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、介质板敷金属良导体层的厚度、馈电点位置等误差控制在0.01%以内，以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在0.1%以内时，天线各项参数变化不大。

本发明的实施例给出了一款应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带贴片天线。本发明的实施例给出了一款频段为1.616GHz及2.492GHz北斗系统的双频圆极化天线。实施例高性能介质基板材料可采用6～15的高介电常数优质材料作为基底，典型值可取相对介电常数为10的复合陶瓷，陶瓷介质板的边长为35mm～45mm，厚为2mm～4mm，典型值为40.5mm×40.5mm×3mm的长方体。

Claims (11)

1.应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于设有基板，在基板两个表面上敷有金属层，其中，一表面金属层加工成带对角线两个切角的外框与内辐射贴片轮廓的双框，外框的内沿上制备有矩形切口，内外通过四桥跨接成内辐射贴片与外辐射贴片对称结构；另一表面金属层为接地板。

2.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述基板采用陶瓷介质基板；所述陶瓷介质基板的相对介电常数大于8。

3.如权利要求2所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述陶瓷介质基板采用正方形陶瓷介质板，正方形陶瓷介质板的边长为15～45mm，厚度为2～5mm。

4.如权利要求3所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述正方形陶瓷介质板的边长为40.5mm，厚度为3mm。

5.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述金属层采用银层或铜层。

6.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述外辐射贴片采用带切角的方形套框外辐射贴片结构，所述带切角的方形套框外辐射贴片结构的边长为15～30mm，所述带切角的方形套框外辐射贴片结构的切角大小边长为2～2.5mm。

7.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述内辐射贴片采用带切角的方形内辐射贴片结构，所述带切角的方形内辐射贴片结构的边长为10～25mm，所述带切角的方形内辐射贴片结构的切角大小的边长为1.5～2mm。

8.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述外辐射贴片与内辐射贴片的间隙为0.5～1.0mm。

9.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述外框中带有以完整矩形框边长中心为对称而均匀分布的矩形加载切口，切口的长度为1.8～2.2mm，宽度为1～1.5mm，相互之间距离为1.8～2.2mm，分布于外框的矩形加载切口设有20个。

10.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述外框与内辐射贴片4条边之间带有对称均匀分布的4个跨接导电桥，导电桥为矩形或梯形，矩形导电桥宽度为0.5～1mm。

11.如权利要求1所述的应用于北斗系统的双框带切口四桥跨接微带天线，其特征在于所述内辐射贴片上设有馈电点，所述馈电点的直径为0.8～1mm，馈电点穿透基板的圆柱孔，该圆柱孔的圆心相对于中心点的水平距离为4.5～7.5mm。