CN103840267B - 基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线 - Google Patents

Abstract

基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，涉及三角形微带天线。提供尺寸适中、带宽较大、回波损耗低、增益高、接收和发射信号频道干扰小的基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线。设有基板，在基板上下表面分别敷有上金属层和下金属层，在上金属层上雕刻有带缝隙的三角形贴片，在三角形贴片的三条边外围分别设有条形贴片，三角形贴片的三个顶点外围分别设有耦合小圆片；三角形贴片以三角形的一个顶点和中心的连线为轴设有1条垂直矩形缝隙和2条水平矩形缝隙，三角形贴片上设有馈电点；下金属层为接地板，在下金属层上设有馈电接头，馈电接头与馈电点连接。可按要求覆盖北斗卫星系统和GPS系统的多个频段，并利用引向臂阵列控制方向增益。

Description

基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线

技术领域

本发明涉及一种三角形微带天线，尤其是涉及一种用于北斗卫星系统的基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线。

背景技术

北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务。军用与民用目的兼具。北斗卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统和欧盟伽利略定位系统为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商（SunHongwei,LiZhigang,PingFeng.DevelopmentofSatelliteNavigationinChina[C].FrequencyControlSymposium,2007Jointwiththe21stEuropeanFrequencyandTimeForum.May,2007,pp.297-300）。

天线设计及制造技术室卫星的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小，极大程度地影响了卫星的工作性能及应用领域，随着卫星技术的飞速发展，人们对天线的宽带化、小型化、抗破坏性、多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在卫星系统的具有举足轻重的地位，对其进行深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。

传统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，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。其中贴片天线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、频率和增益等指标。对于天线的小型化，Hately,M.C和Kabbary,F.M，Stewart，B.G发明了交叉场天线，这也是最早的小型天线，此后人们研究出了可采用高介电常数、开缝（HungTienNguyen,SimaNoghanianandLotShafai.Microstrippatchminiaturizationbyslotsloading[C].AntennasandPropagationSocietyInternationalSymposium,2005IEEE，Page(s):215-218vol.1B）、曲流技术（R.Chair,K.M.Luk,andK.F.Lee.Smalldualpatchantenna[J].Electron.Lett.35,762–764,May13,1999）、加载短路探针（RodB.Waterhouse,S.D.Targonski,D.M.Kokotoff.DesignandPerformanceofSmallPrintedAntennas[J].IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,VOL.46,NO.11,NOVEMBER1998）、PBG结构等技术来实现天线的小型化。在微带贴片天线的设计过程中，由于多项技术指标是互相联系、互相影响的，因此要对天线的性能指标进行综合考虑，从而选择符合实际需要的贴片形状。

引向天线是由两位日本大学教授八木秀次和宇田新太郎在上世纪20年代发明的，故又称八木天线、八木-宇田天线或八木阵列天线（G.R.DeJean,T.T.Thai,S.Nikolaou,andM.M.Tentzeris.Designandanalysisofmicrostripbi-Yagiandquad-YagiantennaarraysforWLANapplications[J].IEEEAntennasWirelessPropag.Lett.,vol.6,pp.244–248,2007）。八木天线是一种端射多单元天线阵列，最少包括一个单独的激励单元和一个单独的无源单元。鉴于将引向天线与微带天线的突出优点，为了将二者相互结合，国内外专家学者都做了很多分析及实践（[6]KRAUSJohnD，MARHEFKARonaldJ..Antennasforallapplications[M].UpperSaddleRiver,NJ:McGrawHill,2002；[7]HyokJ.Song,MarekE.BialkowskiandPawelKabacik.PARAMETERSTUDYOFABROADBANDUNIPLANARQUASI-YAGIANTENNA[C].Microwaves,RadarandWirelessCommunications.2000.Vol.1,pp.166-169；[8]S.K.PADHIandM.E.BIALKOWSKI.PARAMETRICSTUDYOFAMICROSTIRPYAGIANTENNA[C].MicrowaveConference,2000Asia-Pacific,PP.715-718；[9]YihanD,XiaoyingZ.AnovelmicrostripYagiantennawithtunableradiationpatternandcentralfrequency[C].IntelligentRadioforFuturePersonalTerminals(IMWS-IRFPT),2011IEEEMTT-SInternationalMicrowaveWorkshopSerieson.IEEE,2011,pp.1-2）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸适中、带宽较大、回波损耗低、增益高、接收和发射信号频道干扰小的基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线。

本发明设有基板，在基板上下表面分别敷有上金属层和下金属层，在上金属层上雕刻有带缝隙的三角形贴片，在三角形贴片的三条边外围分别设有条形贴片，三角形贴片的三个顶点外围分别设有耦合小圆片；三角形贴片以三角形的一个顶点和中心的连线为轴设有1条垂直矩形缝隙和2条水平矩形缝隙，三角形贴片上设有馈电点；下金属层为接地板，在下金属层上设有馈电接头，馈电接头与馈电点连接。

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为8～15；所述陶瓷介质基板可采用圆形陶瓷介质板，圆形陶瓷介质板的半径可为15～45mm，厚度可为2～5mm，优选半径为20mm，厚度为3mm；所述上金属层和下金属层均可采用银层或铜层等。

所述垂直矩形缝隙的长为10～15mm，宽为0.5～1.5mm；上水平矩形缝隙与三角形贴片中心的距离为3～5mm，矩形贴片的长为10～14mm，宽为0.5～1.5mm；下水平矩形缝隙的长为11～13mm，宽为0.5～1.5mm。

所述条形贴片可采用1～5条，条形贴片平行于对应三角形贴片的三边，条形贴片长为20～24mm，宽为1～2mm，条形贴片与对应三角形贴片的三边之间的距离为1～3mm；条形贴片之间的距离为1～4mm。

所述耦合小圆片的半径为1～2mm，耦合小圆片的圆心与三角形贴片中心的距离为18～20mm。

所述馈电点的直径为0.8～1mm，所述馈电点与三角形贴片中心的水平距离可为3～5mm。

本发明利用开缝隙实现天线的小型化；通过调整缝隙贴片的大小可灵活控制频点位置及增益。同时，利用加载条形贴片（引向臂）和耦合小圆片，改善三角形微带天线的低仰角增益，具有尺寸适中、结构新颖、带宽大、辐射性能好、受环境影响小、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为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例的侧面结构示意图。

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(GHz),纵坐标表示回波损耗强度(dB)。

图4为本发明实施例的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图5为本发明实施例的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。

参见图1和2，本发明实施例设有陶瓷介质基板1，在基板1上下表面分别敷有上金属层和下金属层，在上金属层上雕刻有带缝隙的三角形贴片，在三角形贴片的三条边外围分别设有条形贴片，三角形贴片的三个顶点外围分别设有耦合小圆片；下金属层为接地板，三角形贴片上设有馈电点，在下金属层上设有馈电接头，馈电接头与馈电点连接。

所述陶瓷介质基板1的相对介电常数为10；所述陶瓷介质基板采用圆形陶瓷介质板，圆形陶瓷介质板的半径可为20mm±0.05mm，高为3mm±0.05mm；所述上金属层和下金属层均采用铜层。

所述三角形贴片以三角形的一个顶点和中心的连线为轴设有1条垂直矩形缝隙和2条水平矩形缝隙，垂直矩形缝隙3的长为14.65mm±0.05mmmm，宽为1.05mm±0.05mm；上水平矩形缝隙4与三角形贴片中心的距离为3mm±0.05mm，矩形缝隙4的长为11.7mm±0.05mm，宽为1.05mm±0.05mm；下水平矩形缝隙5与三角形贴片中心的距离为7.7mm±0.05mm；矩形缝隙5的长为15.4mm±0.05mm，宽为1.05mm±0.05mm。

所述条形贴片6可采用1～5条，条形贴片6平行于对应三角形贴片的三边，条形贴片6长为21.9mm±0.05mm，宽为1.8mm±0.05mm，条形贴片与对应三角形贴片的三边之间的距离为1～3mm；条形贴片与对应三角形贴片的三边之间的距离为3mm±0.05mm

所述耦合小圆片7的半径为1.85mm±0.05mm，耦合小圆片7的圆心与三角形贴片中心的距离为17.3mm±0.05mm。

本发明采用同轴线偏馈的形式馈电。图中8为馈电点，它的半径为0.5mm±0.05mm，它与三角形中心的水平距离为2.56±0.05mm，垂直距离为1.97±0.05mm。馈电柱为高度为3mm±0.05mm的空心导电圆柱。如图2所示，这种馈电形式使得天线的S11更低，增益更大。其中同轴线的内心通过馈孔与三角形贴片2连接，而同轴线的外芯与陶瓷陶瓷介质基板下表面的接地板9相连。

图中标记10为馈电接头。

参见图3，从图3中可以看出，本发明天线的工作频率为2.492GHz，此工作频段内天线的回波损耗（S11）都在10dB以下，绝对带宽为20MHz。表明本天线在两个工作评断的划拨损耗都能达到要求指标，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和图5分别为2.492GHz频点的E面与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。

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。

表1给出了本发明的制作加工误差对天线特性的工作频段的影响情况。

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，可根据需优化结构参数完成特殊设计。

Claims (11)

1.基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于设有基板，在基板上下表面分别敷有上金属层和下金属层，在上金属层上雕刻有带缝隙的三角形贴片，在三角形贴片的三条边外围分别设有条形贴片，三角形贴片的三个顶点外围分别设有耦合小圆片；三角形贴片以三角形的一个顶点和中心的连线为对称轴设有1条垂直矩形缝隙和2条水平矩形缝隙，三角形贴片上设有馈电点；下金属层为接地板，在下金属层上设有馈电接头，馈电接头与馈电点连接。

2.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，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为8～15。

3.如权利要求2所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述陶瓷介质基板采用圆形陶瓷介质板，圆形陶瓷介质板的半径为15～45mm，厚度为2～5mm。

4.如权利要求3所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述圆形陶瓷介质板的半径为20mm，厚度为3mm。

5.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述上金属层和下金属层均采用银层或铜层。

6.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述垂直矩形缝隙的长为10～15mm，宽为0.5～1.5mm。

7.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述2条水平矩形缝隙中的上水平矩形缝隙与三角形贴片中心的距离为3～5mm，所述上水平矩形缝隙的长为10～14mm，宽为0.5～1.5mm；下水平矩形缝隙的长为11～13mm，宽为0.5～1.5mm。

8.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述三角形贴片每个边外围设置的条形贴片为1～5条，条形贴片平行于三角形贴片对应的边，条形贴片长为20～24mm，宽为1～2mm，条形贴片与三角形贴片对应的边之间的距离为1～3mm。

9.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述三角形贴片每个边外围设置的相邻的条形贴片之间的距离为1～4mm。

10.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述耦合小圆片的半径为1～2mm，耦合小圆片的圆心与三角形贴片中心的距离为18～20mm。

11.如权利要求1所述基于引向臂阵列的北斗三角形陶瓷微带天线，其特征在于所述馈电点的直径为0.8～1mm，所述馈电点与三角形贴片中心的水平距离为3～5mm。