CN103500879A - 一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线 - Google Patents

一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线 Download PDF

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Abstract

一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，涉及一种双频微带天线。由下至上设有接地板、介质基板和辐射贴片；接地板为导体，辐射贴片为金属辐射贴片，辐射贴片上设左右对称的2个馈电孔，在2个馈电孔上分别设有馈电接线端子，辐射贴片通过同轴线内芯穿过馈电孔与介质基板连接；辐射贴片为方形，辐射贴片的4个角部均设有L字形带叉指通槽，L字形带叉指通槽的内外侧均设有间隔布置的叉指槽，L字形带叉指通槽的内侧所设叉指构成内框叉指方形耦合阵列，L字形带叉指通槽的外侧所设叉指构成外框叉指方形耦合阵列，相邻的L字形带叉指通槽形成桥式跨接，以4个L字形带叉指通槽为分界，辐射贴片形成内框和外框，即辐射贴片形成双馈双框式结构。

Description

一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线
技术领域
本发明涉及一种双频微带天线，尤其是涉及一种可应用于北斗卫星导航系统，带叉指控制的桥式跨接双频微带天线。
背景技术
北斗卫星导航系统（BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System）是我国独立发展、自主运行的全球卫星导航定位系统，并与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略兼容互用的全球卫星导航系统，既能提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还具备短报文通信、差分服务和完好性服务特色。
正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，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着重要作用。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务,预计到2020年左右形成覆盖全球的卫星导航定位系统。
微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线，以其三维结构的灵活性受到各种不同设计目标的全方位开发，既被单独用于手机天线、医用辐射器等，也被广泛用作各种阵列天线结构单元。微带天线素以低轮廓、便于与电路集成、印刷雕刻工艺等优点著称，但也存在频带窄、增益较小、方向性差、效率低等缺点，因此对微带天线研究具有十分重要的工程价值和理论意义。
采用高介电常数的介质基板是天线小型化的常用技术，微带天线一般是半波辐射结构，采用薄基片的矩形微带天线，在特定频率下，介电常数的提高可以减小有效贴片长度，实现小型化。对于半波结构的矩形微带天线，表面电流分布依赖于贴片的几何形状，通过贴片表面开槽或者改变贴片边缘形状，引入扰动，使电流曲折绕行，电流的有效路径变长，谐振频率下降，因此引入曲流技术也可有效的减小天线尺寸。
如何能够更好地控制天线的相位和增益，并改善天线辐射边长，节省介质基板材料，改善天线增益并实现天线小型化，可保持很好的相位中心稳定度。可应用于北斗导航系统的双频微带天线已成为十分关注的课题。
目前北斗卫星微带天线的实现可采用矩形贴片、圆形贴片或三角形贴片等，同时利用叠层或双馈等技术实现双频圆极化，存在着频带宽度窄、增益较低、仰角特性不好等不足。
公开号为CN103022685A的中国专利申请“北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线”，采用三角形三边分别加载一条窄长的矩形贴片，矩形贴片与中间主辐射单元耦合，并利用双馈电点实现北斗收发双频。
目前采用L字形带叉指槽耦合技术的双馈双频微带天线尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种高增益、回波损耗低、集成度高、高对称性、隔离度高、方向性良好，适用于北斗导航系统，带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线。
本发明由下至上设有接地板、介质基板和辐射贴片；
接地板为导体，辐射贴片为金属辐射贴片，所述辐射贴片上设有左右对称的2个馈电孔，在2个馈电孔上分别设有馈电接线端子，辐射贴片通过同轴线内芯穿过馈电孔与介质基板连接，同轴线外芯与接地板连接；辐射贴片的形状为方形，辐射贴片的4个角部均设有L字形带叉指通槽，L字形带叉指通槽的内侧和外侧均设有间隔布置的叉指槽，L字形带叉指通槽的内侧所设叉指构成内框叉指方形耦合阵列，L字形带叉指通槽的外侧所设叉指构成外框叉指方形耦合阵列，相邻的L字形带叉指通槽形成桥式跨接，以4个L字形带叉指通槽为分界，辐射贴片形成内框和外框，即辐射贴片形成双馈双框式结构。
所述接地板最好为导电性能优良的导体，如铜、铁、镍等，最好为铜接地板。
所述介质基板可为陶瓷板，所述陶瓷板最好为相对介电常数大于6的陶瓷板或环氧复合陶瓷板。
所述辐射贴片最好为导电性能优良的导体，如银和铜，一般为铜接地板。
所述接地板的形状最好为正方形，接地板的尺寸如下：长和宽均为50.00mm；所述介质基板最好采用相对介电常数为9.8±5%的复合陶瓷介质基板，介质基板的形状为正方形，介质基板的尺寸如下：长和宽均为29.8mm，厚度为3±0.01mm；所述辐射贴片形状为正方形，辐射贴片的尺寸如下：内框的边长为20mm，外框的边长为28.8mm，L字形带叉指通槽的外侧叉指槽的底部与辐射贴片外沿的间距为0.7mm；所述L字形带叉指通槽的尺寸如下：所述外框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1mm，相邻叉指的间距为1mm；所述内框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1.2mm，相邻叉指的间距为0.3mm；外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的间距1.5mm。所述辐射贴片的外沿对角线上的2个角为斜边角，斜边的边长为0.71mm。
所述外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的4个跨接桥的宽度均为2mm。所述2个馈电孔的直径为0.5±0.01mm，馈电孔的深度为3mm，2个馈电孔为左右对称，且与左右对称中心线的距离为8mm。
与现有的微带天线相比，本发明突出优点在于：
本发明采用的在天线内辐射贴片外侧和外辐射部分的内沿分布加载叉指状相向耦合阵列，可以更好的控制天线的相位和增益，并改善天线辐射边长，实现天线小型化；本发明采用高介电常数的地大小天线，节省介质基板材料，改善天线增益并实现天线小型化；本发明采用高对称双馈微带贴片结构，保持很高的相位中心稳定度。本发明采用对称的双馈结构，结合内外框分布加载的叉指状方形相向耦合阵列，可以触发覆盖北斗导航天线的上下行S频段和L频段。频段宽度大、相位中心稳定度高、小型化、高对称性、仰角性能优越。采用叉指状相向方形耦合阵列，能够提高有效辐射边长、改善内外框电磁耦合特性，同时由于采用叉指状相向方形耦合阵列，使得馈电点位置方便调节，可变范围大。且采用对称的双馈，提高对称性，使得相位稳定度更高，频带宽度更大，有效解决微带天线频带窄的缺陷。本发明回波损耗小，如最终设计好的微带天线回波损耗都在-20db以下，在低频1.616G绝对带带宽优于75M，在高频2.492G绝对带宽优于115M，且高频点具有很好的低仰角特性。此天线耗材少、成本低、结构简单、易集成、性能优越，十分适用于北斗卫星导航终端。
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L字形带叉指通槽的结构示意图。
图3为本发明实施例的横截面结构示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗S11性能图。在图4中，横坐标为频率（GHz），纵坐标为回波损耗S11（db）。
图5为本发明实施例在1.616GHz频点的E面及H面增益方向图。图5为极坐标（db）。
图6为本发明实施例在2.492GHz频点的E面及H面增益方向图。图6为极坐标（db）。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参见图1～3，本实施例由下至上设有接地板1、介质基板2和辐射贴片3；接地板1为铜板，介质基板2为陶瓷板，辐射贴片3为铜辐射贴片，所述辐射贴片3上设有左右对称的2个馈电孔，在2个馈电孔上分别设有馈电接线端子8，同轴线内芯9穿过介质基板2与辐射贴片3连接，同轴线外芯（未画出）与接地板1连接；辐射贴片3的形状为正方形，辐射贴片3的4个角部均设有L字形带叉指通槽31，L字形带叉指通槽31的内侧和外侧均设有间隔布置的叉指，L字形带叉指通槽31的内侧所设叉指构成内框叉指状方形耦合阵列，L字形带叉指通槽31的外侧所设叉指构成外框叉指状方形耦合阵列，相邻的L字形带叉指通槽31形成桥式跨接，辐射贴片3形成双馈双框式结构。
所述接地板1的形状为正方形，接地板1的尺寸如下：长和宽均为50.00mm；所述介质基板2采用相对介电常数为9.8±5%的复合陶瓷介质基板，介质基板2的形状为正方形，介质基板2的尺寸如下：长和宽均为29.8mm，厚度为3±0.01mm；所述辐射贴片3形状为正方形，辐射贴片3的尺寸如下：内框的边长为20mm，外框的边长为28.8mm，L字形带叉指通槽的外侧叉指槽的底部与辐射贴片外沿的间距为0.7mm；所述L字形带叉指通槽的尺寸如下：所述外框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1mm，相邻叉指的间距为1mm；所述内框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1.2mm，相邻叉指的间距为0.3mm；外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的间距1.5mm。所述辐射贴片3的外沿对角线上的2个角32为斜边角，斜边角的斜边边长为0.71mm。外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的4个跨接桥33的宽度均为2mm。所述2个馈电孔的直径为0.5±0.01mm，馈电孔的深度为3.0mm，2个馈电孔为左右对称，且与左右对称中心线的距离为8mm。
由图4可见，本实施例第一个工作频段为1.573Ghz～1.650Ghz，此工作频段内天线回波损耗（S11）都在-10db以下，绝对带宽为77Mhz，在1.613Ghz处的最小回波损耗为-24db；第二个工作频段为2.43Ghz～2.549Ghz，此工作频段内天线回波损耗（S11）都在-10db以下，绝对带宽119Mhz，在2.487Ghz处最小回波损耗为-24db。图4表明天线在这两个工作频段的回波损耗性都能达到要求，绝对带宽大，完全覆盖所需工作频段，可以很好地应用于北斗卫星导航系统中。
由图5和6可见，本实施例不仅定向辐射性能优越，而且在高频2.492Ghz的仰角很低。从图中的增益方向图和仰角可以看出本实施例能满足北斗卫星导航系统的要求。
本实施例的制造加工误差对天线L频段特性的影响情况参见表1。
表1
Figure BDA0000396593300000051
注：表1中的数据已有一定冗余，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。
本实施例的制造加工误差对天线S频段特性的影响情况参见表2。
表2
Figure BDA0000396593300000052
注：表2中的数据已有一定冗余，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。
由表1和表2可见，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。

Claims (9)

1.一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于,由下至上设有接地板、介质基板和辐射贴片；
接地板为导体，辐射贴片为金属辐射贴片，辐射贴片上设有左右对称的2个馈电孔，在2个馈电孔上分别设有馈电接线端子，辐射贴片通过同轴线内芯穿过馈电孔与介质基板连接，同轴线外芯与接地板连接；辐射贴片的形状为方形，辐射贴片的4个角部均设有L字形带叉指通槽，L字形带叉指通槽的内侧和外侧均设有间隔布置的叉指槽，L字形带叉指通槽的内侧所设叉指构成内框叉指方形耦合阵列，L字形带叉指通槽的外侧所设叉指构成外框叉指方形耦合阵列，相邻的L字形带叉指通槽形成桥式跨接，以4个L字形带叉指通槽为分界，辐射贴片形成内框和外框，即辐射贴片形成双馈双框式结构。
2.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述接地板为铜接地板；所述辐射贴片为铜辐射贴片。
3.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述介质基板为陶瓷板。
4.如权利要求3所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述陶瓷板为相对介电常数大于6的陶瓷板或环氧复合陶瓷板。
5.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述接地板的形状为正方形，接地板的尺寸如下：长和宽均为50mm；所述介质基板采用相对介电常数为9.8±5%的复合陶瓷介质基板，介质基板的形状为正方形，介质基板的尺寸如下：长和宽均为29.8mm，厚度为3±0.01mm；所述辐射贴片形状为正方形，辐射贴片的尺寸如下：内框的边长为20mm，外框的边长为28.8mm，L字形带叉指通槽的外侧叉指槽的底部与辐射贴片外沿的间距为0.7mm；所述L字形带叉指通槽的尺寸如下：所述外框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1mm，相邻叉指的间距为1mm；所述内框叉指方形耦合阵列中的每个叉指的宽度为1.2mm，相邻叉指的间距为0.3mm；外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的间距1.5mm。
6.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述辐射贴片的外沿对角线上的2个角为斜边角，斜边的边长为0.71mm。
7.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于外框叉指方形耦合阵列与内框叉指方形耦合阵列之间的4个跨接桥的宽度均为2mm。
8.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于所述馈电孔的直径为0.5±0.01mm，馈电孔的深度为3mm。
9.如权利要求1所述的一种带叉指耦合控制的桥式跨接双频微带天线，其特征在于2个馈电孔中心线的距离为8mm。
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