CN103401069B - 棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线 - Google Patents
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Abstract
棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，涉及一种微带天线。设有上下基板，在上基板上表面设有上层贴片，上层贴片设有上主微带贴片，上主微带贴片采用角部对称方形切角结构，上主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，在上主微带贴片最外围设有4个对称棒缝引向振子；在上下基板之间设有结构与上层贴片相同的夹层贴片，夹层贴片设有夹层主微带贴片，夹层主微带贴片采用角部对称方形切角结构，夹层主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，4个对称引向缝隙与夹层主微带贴片边缘留有间隙，在夹层主微带贴片外围设有4个对称棒状引向振子；在下基板的下表面设有下层贴片，下层贴片上设有下主微带贴片。
Description
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导航系统的高增益低仰角双频双馈的小型化微带天线。
背景技术
北斗卫星导航系统（BeiDou(COMPASS）Navigation Satellite System)是中国的重要研发热点，拥有独立和高精度导航能力。目前，北斗卫星导航系统已成为ICG（联合国卫星导航委员会）认可的四大核心供应商之一，跻身于卫星导航国际舞台。该系统将为中国及周边地区的军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时与通信服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足武器制导和导航定位信息交换的需要，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。北斗卫星导航系统规模庞大、整体性强、技术难度高。
近年来，我国正广泛开展国际交流与合作，积极参加ICG（全球导航卫星系统国际委员会）、ITU（国际电联）、中欧伽利略合作、国际卫星导航领域会议等，推动频率协调、兼容与互操作等有关工作。按照“质量、安全、应用、效益”的总要求，建设北斗卫星导航系统，满足国家对卫星导航的战略需求，促进应用开发和北斗产业化，为实现北斗卫星导航产业发展提供支撑，预计到2020年实现卫星导航年产值4000亿元的目标。
随着“北斗”卫星导航系统应用的范围不断扩大，导航技术的快速发展，对“北斗”终端天线的研究也愈加广泛和深入，研制应用于“北斗”卫星定位接收机的小型化、多频化、高性能的微带天线也就得到了越来越广泛的重视。为了更为灵活地适应北斗二代卫星导航系统的发展，研究具有较高低仰角增益的多频多圆极化天线，是卫星通信的小型移动终端天线以及飞行器机载天线的必然趋势。
微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它具有体积小、重量轻、可共形、易于制造、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点。然而，普通微带天线的波束宽度一般只在90度左右，10度仰角处增益相对比较小（一般都在8dB以下），难以实现低仰角增益的优化。为解决多频天线的低仰角增益问题，满足各种定位终端应用多样化的需求，我们将引向天线、缝隙及叠层结构等多种技术相互结合，设计一种叠层结构的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线。
发明内容
本发明的目的在于提供具有较高低仰角增益的一种棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线。
本发明设有上基板和下基板，在上基板的上表面设有上层贴片，上层贴片为棒缝复合引向阵列结构的敷铜层，上层贴片设有上主微带贴片，上主微带贴片采用角部对称方形切角结构，上主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，引向缝隙与上主微带贴片边缘留有间隙，在上主微带贴片最外围设有4个对称棒缝引向振子，在上主微带贴片中部设有高频段馈电点；在上基板与下基板之间设有结构与上层贴片相同的夹层贴片，夹层贴片设有夹层主微带贴片，夹层主微带贴片采用角部对称方形切角结构，夹层主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，4个对称引向缝隙与夹层主微带贴片边缘留有间隙，在夹层主微带贴片外围设有4个对称棒状引向振子，在夹层主微带贴片中部设有高频段馈电点和低频段馈电点；在下基板的下表面设有下层贴片，下层贴片上设有下主微带贴片，在下主微带贴片中部设有高频段馈电点和低频段馈电点。
本发明在使用引向天线微带平面化技术的基础上，再结合介质天线的原理，在天线中引入介质天线结构。介质板延伸越多，端射能力越强，低仰角优化越明显。根据实际应用环境条件可以灵活地权衡利弊而进行微带介质天线的设计。
本发明采用角部切矩形角结构拓宽频带宽度及产生圆极化，其中方形切角位于上层贴片与夹层贴片不同对角线上，以实现不同旋向的圆极化辐射特点。
本发明的设计频率为双频，天线的工作频点主要由主辐射贴片的尺寸及引向振子的尺寸及间距决定，而缝隙也很适合于实际制作样品的后期调谐。上层贴片对应于定位系统上行的S频段，夹层贴片对应于定位系统下行的L频段，可覆盖北斗卫星及卫星定位系统需要的工作频段，也可以按序调整设计覆盖其他应用频段。
本发明天线的下层贴片是整个天线的接地板，接地良导体板的尺寸小于介质的尺寸，层间设有过孔，整个叠层没有间隙，紧密相连，并采用两个同轴结构实现双频馈电。
本发明与常规圆极化微带天线相比，具有以下优点：
本发明将棒、微带、缝隙复合引向阵列的叠层结构引入到北斗天线的设计中，设计新颖实用。通过主微带辐射贴片与棒状及缝隙引向振子间距离的可调控性，改变棒状引向振子上耦合电流的幅度及相位、腔式引向振子的耦合量，实现优化天线的低仰角增益。采用复合阵列结构能够有助于改善天线的低仰角性能，获得较高增益。采用缝隙腔在构成引向振子的同时也可调控微带辐射缝的电流，与高介电性能的陶瓷或者改性环氧复合陶瓷板基板协同优化来达到降低天线工作频率实现小型化目的。
附图说明
图1为本发明实施例的侧面示意图。
图2为本发明实施例的上层贴片结构示意图。
图3为本发明实施例的夹层贴片结构示意图。
图4为本发明实施例的下层贴片结构示意图。
图5为本发明的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线回波损耗(S11)性能图。图3中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(dB)；在图中坐标为直角坐标；曲线a为低（L）频段，曲线b为高（S）频段。
图6为本发明的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线馈点隔离度性能图。图4中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示隔离度(dB)；在图中坐标为直角坐标。
图7为本发明的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线L频段上E面及H面天线增益方向图；在图中坐标为极坐标；曲线a为E面，曲线b为H面。
图8为本发明的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线S频段上的E面及H面天线增益方向图；在图中坐标为极坐标；曲线a为E面，曲线b为H面。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的技术方案及其突出效果作进一步说明。
参见图1～4，本发明实施例设有上基板1和下基板2，在上基板1的上表面设有上层贴片A，上层贴片A为棒缝复合引向阵列结构的敷铜层，上层贴片A设有上主微带贴片5，上主微带贴片5采用角部对称方形切角结构4，上主微带贴片5内部设有4个对称引向缝隙6，引向缝隙6与上主微带贴片5边缘留有间隙，在上主微带贴片5最外围设有4个对称棒缝引向振子3，在上主微带贴片5中部设有高频段馈电点7；在上基板1与下基板2之间设有结构与上层贴片A相同的夹层贴片B，夹层贴片B设有夹层主微带贴片9，夹层主微带贴片9采用角部对称方形切角结构12，夹层主微带贴片9内部设有4个对称引向缝隙10，4个对称引向缝隙10与夹层主微带贴片9边缘留有间隙，在夹层主微带贴片9外围设有4个对称棒状引向振子8，在夹层主微带贴片9中部设有高频段馈电点7和低频段馈电点11；在下基板2的下表面设有下层贴片C，下层贴片C上设有下主微带贴片13，在下主微带贴片13中部设有高频段馈电点7和低频段馈电点11。
上基板1边长为26.0mm±0.01mm，高为3.00mm±0.01mm，下基板2边长为48.0mm±0.01mm，高为3.00mm±0.01mm。
在上基板1的上表面、上基板1与下基板2的夹层、下基板2的下表面均敷有铜，上层贴片A为采用了棒缝复合引向阵列结构的敷铜层，尺寸为26.0mm±0.01mm的正方形。上主微带贴片5尺寸为17.45mm±0.01mm×17.45mm±0.01mm，采用角部对称方形切角结构来产生圆极化，角部切角4边长为0.70mm±0.01mm，采用缝隙技术缩减天线尺寸，上主微带贴片5内部4个对称引向缝隙6尺寸为8.00mm±0.01mm×1.00mm±0.01mm，缝隙与上主微带贴片5边缘间隙为2.73mm±0.01mm。上主微带贴片5最外围的4个对称棒状引向振子3，尺寸为17.45mm±0.01mm×1.00±0.01mm，棒与上主微带贴片5边缘的距离为3.00mm±0.01mm。图1中标注7为高频段馈电点，它的半径为3.00mm±0.01mm。
在上基板1和下基板2的中间为结构与上层贴片A构成方式相似并旋转90度放置的敷铜夹层贴片B，尺寸为48.0mm±0.01mm的正方形。夹层主微带贴片9尺寸为25.5mm±0.01mm×25.5mm±0.01mm，角部对称方形切角12边长为2.15mm±0.01mm。夹层主微带贴片9内部四个对称引向缝隙10尺寸为14.0mm±0.01mm×2.50mm±0.01mm，与夹层主微带贴片9边缘的间隙为1.75mm±0.01mm。夹层主微带贴片9四周对称放置的棒状引向振子8尺寸为25.5mm±0.01mm×2.00mm±0.01mm。棒与夹层贴片B的夹层主微带贴片9距离为4.00±0.01mm。图1中标注11为低频段馈电点，它的半径为3.00mm±0.01mm。
在下基板2的下表面为下层贴片C，下层贴片C是整个天线的公共接地板，尺寸为48.0mm±0.01mm的正方形。下主微带贴片13尺寸为40.0mm±0.01mm×40.0mm±0.01mm。
本发明中采用同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，FL为低频段馈电点处，FS为高频段馈电点处。
参见图5，从图5中可以看出，本发明天线的第一个工作频段为1.595GHz～1.626GHz，此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，绝对带宽31MHz，在1.616GHz处的最小回波损耗为19.254dB；本发明天线的第二个工作频段为2.461GHz～2.532GHz，此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下，绝对带宽62MHz，在2.492GHz处的最小回波损耗为22.134dB。从图5可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求，完全满足北斗二代导航系统的两个工作频段的带宽要求，优于一般的贴片微带天线，能够很好地应用于北斗与GPS等卫星通信系统中。
参见图6，从图6中可以看出天线两个馈电端口之间的隔离度，两个工作频点之间的隔离度都达到了15dB以上。在L频段上达到了12.635dB，在S频段上达到了15.734dB，均能满足北斗二代卫星导航系统终端天线对两馈电结构之间的隔离指标。
参见图7和8，从中可以看出，图7为天线工作在L频段上的二维圆极化增益方向图，图8为天线工作在S频段上的二维圆极化增益方向图。在L频段上，天线增益在低仰角上的得到了优化，在30°仰角的位置上增益都在0dB以上，辐射波束宽度达到了120°；而在S频段上，由于工作频点相比于L频段较高，所以同样大反射地板对其的反射作用更为明显，所在天顶增益达到了3dB，波束宽度同样也达到了120°。因此，在两个工作频段上，本发明天线均满足北斗二代卫星导航系统对低仰角增益的要求。
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：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，可根据需求合理调整参数完成特殊设计。
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，贴片尺寸、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。
本发明的实施例给出了一款应用于北斗系统的棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，双频工作频段为1.595～1.626GHz与2.461～2.532GHz。实施例中高性能介质基板材料采用6～20的高介电常数优质材料作为基板，典型值可取相对介电常数为9.8的复合陶瓷，保证天线总尺寸小于50mm×50mm×6mm的条件下，所设计的天线其介质基板均向外延伸5mm形成介质天线结构，有助于改善天线两个工作频点上的低仰角增益。
本发明为了保证在低频工作点上天线仍有着较高(3dB)的增益，设计微带天线采用金字塔式叠层结构，具有准半球型的辐射方向图，结构新颖简单实用，很适合应用于导航终端设备之上，可以明显提高定位精度和定位效率。导体可采用铜或银材质，面间采用高性能陶瓷介质层隔开，保证其辐射效率及天线天顶的增益。实际设计中只要合理地调整优化以下参数，包括天线两个馈电点位置、引向振子间距、天线上层贴片和夹层贴片两个辐射面的位置关系及各自的缝隙结构尺寸，就足以保证天线的隔离度，实现具有较高隔离度的双频特性，并且在北斗二代卫星导航定位系统的两个工作频点上都有优秀的辐射性能，能够很好地满足北斗卫星通信系统的要求。
Claims (5)
1.棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，其特征在于设有上基板和下基板，在上基板的上表面设有上层贴片，上层贴片为棒缝复合引向阵列结构的敷铜层，上层贴片设有上主微带贴片，上主微带贴片采用角部对称方形切角结构，上主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，引向缝隙与上主微带贴片边缘留有间隙，在上主微带贴片最外围设有4个对称棒状引向振子，在上主微带贴片中部设有高频段馈电点；在上基板与下基板之间设有结构与上层贴片相同的夹层贴片，夹层贴片设有夹层主微带贴片，夹层主微带贴片采用角部对称方形切角结构，夹层主微带贴片内部设有4个对称引向缝隙，4个对称引向缝隙与夹层主微带贴片边缘留有间隙，在夹层主微带贴片外围设有4个对称棒状引向振子，在夹层主微带贴片中部设有高频段馈电点和低频段馈电点；在下基板的下表面设有下层贴片，下层贴片上设有下主微带贴片，在下主微带贴片中部设有高频段馈电点和低频段馈电点；
所述上基板边长为26.0mm±0.01mm，高为3.00mm±0.01mm，下基板边长为48.0mm±0.01mm，高为3.00mm±0.01mm；
所述上层贴片的尺寸为26.0mm±0.01mm的正方形，上主微带贴片尺寸为17.45mm±0.01mm×17.45mm±0.01mm，采用角部对称方形切角结构来产生圆极化，角部切角边长为0.70mm±0.01mm，上主微带贴片内部4个对称引向缝隙尺寸为8.00mm±0.01mm×1.00mm±0.01mm，缝隙与上主微带贴片边缘间隙为2.73mm±0.01mm，上主微带贴片最外围的4个对称棒状引向振子，尺寸为17.45mm±0.01mm×1.00±0.01mm，上主微带贴片四周的棒状引向振子与上主微带贴片边缘的距离为3.00mm±0.01mm。
2.如权利要求1所述棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，其特征在于高频段馈电点的半径为3.00mm±0.01mm。
3.如权利要求1所述棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，其特征在于所述夹层贴片的尺寸为48.0mm±0.01mm的正方形，夹层主微带贴片尺寸为25.5mm±0.01mm×25.5mm±0.01mm，角部对称方形切角边长为2.15mm±0.01mm，夹层主微带贴片内部四个对称引向缝隙尺寸为14.0mm±0.01mm×2.50mm±0.01mm，与夹层主微带贴片边缘的间隙为1.75mm±0.01mm，夹层主微带贴片四周对称放置的棒状引向振子尺寸为25.5mm±0.01mm×2.00mm±0.01mm，夹层主微带贴片四周的棒状引向振子与夹层贴片的夹层主微带贴片距离为4.00±0.01mm。
4.如权利要求1所述棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，其特征在于低频段馈电点的半径为3.00mm±0.01mm。
5.如权利要求1所述棒缝复合引向双频双馈低仰角高增益微带天线，其特征在于所述下层贴片的尺寸为48.0mm±0.01mm的正方形，下主微带贴片尺寸为40.0mm±0.01mm×40.0mm±0.01mm。
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Granted publication date: 20150923 Termination date: 20210820 |
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