CN103956584A - 手持双模小型化用户机天线 - Google Patents

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CN103956584A CN201410176888.4A CN201410176888A CN103956584A CN 103956584 A CN103956584 A CN 103956584A CN 201410176888 A CN201410176888 A CN 201410176888A CN 103956584 A CN103956584 A CN 103956584A
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晏阳栋
唐惠武
顾庆峰
覃慧
宁惠珍
杨雄飞
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
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Abstract

本发明提出了一种手持双模小型化用户机天线。其包括底板(1)、馈电网络(2)、B3频段圆极化天线(3)、L频段圆极化天线(4)、S频段圆极化天线(5)和馈电探针(6)，每个圆极化天线采用不同厚度和不同介电常数的陶瓷基片，基片上印制带有径向带线的变形方形贴片，这三个圆极化天线依工作频率由高到低、自上而下形成共轴叠加层叠结构。馈电探针将这三个频段天线与其各自的馈电网络连接，底板与馈电网络板固定；馈电网络板下设的三个射频连接器分别与三个频段圆极化天线的馈电网络射频出口相连，并通过底板下的三个孔引出。本发明可兼容北斗一代L频段、S频段和北斗二代B3频段，且体积比现有手持类天线小，可用于军用手持导航设备。

Description

手持双模小型化用户机天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体讲是一种双模小型天线，可用于兼容北斗一代导航卫星系统的L频段、S频段和北斗二代导航卫星系统的B3频段，也可用于手持用户机外置天线。
背景技术
目前具有全球导航定位功能的卫星导航系统有美国的GPS和俄罗斯的GLONASS。我国在2003年“北斗一号”导航卫星系统正式运行，这是一种针对局部地区的双星定位系统，主要用于我国及周边地区的军事和民用需要，多年来系统运行良好，发展了大量的军民用户。目前，正在建设和完善中的“北斗二号”第二代导航卫星系统是类似GPS及GLONASS系统，在具备导航定位功能的同时保留了一代的卫星通信功能，已正式对中国及东南亚地区提供区域导航定位服务，在民用和军用方面发挥着越来越大的作用，特别是在军用方面，具有深远的战略意义。
天线是卫星导航终端设备的关键性部件之一，对定位系统无线链路的贡献至关重要，没有天线卫星导航定位设备将无法发挥它的作用。北斗一代的工作频段有中心频率为1615.68MHz的L频段和中心频率为2491.75MHz的S频段，其带宽均为±4.08MHz，北斗二代的工作频段有中心频率为1561MHz的B1频段和中心频率为1207MHz的B2,以及中心频率为1268.52MHz带宽为±10.23MHz的B3频段，B3频段作为军码通信频段，北斗一代的S、L频段具有收发功能，而北斗二代的B3频段仅仅依靠接收信号来授时、定位，不具备北斗一代所具有的短报文通信功能。
为了适应我国北斗用户的实际需求，必须设计出能够兼容北斗一代和北斗二代导航定位系统的用户机天线。目前，国内相继研制成功了几种用户机天线，如单B3频段车载和手持用户机天线；兼容B3和B1双频段车载用户机天线。但针对B3、L、S三频段的国内很少，许多用户都希望把北斗一代的S、L频段和北斗二代的B3频段兼容于一个模块。专利号：ZL201220131424.8的“一种用于北斗导航定位系统的多模导航小型化天线”，虽然是将北斗二代的B1频段和GPS系统的L1频段兼容于一个模块，但是该手持用户机天线缺少军码通信的B3频段和北斗一代的L、S频段，且由于其体积大不能满足用户的需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种能兼容军码通信的B3频段和北斗一代L、S频段的手持双模小型化用户机天线，以满足用户的需求。
为实现上述目的，本发明包括：底板1、馈电网络2、探针6、北斗二代B3频段圆极化天线3、北斗一代L频段的圆极化天线4和北斗一代S频段的圆极化天线5，所述的三个圆极化天线按照工作频率由高到低、自上而下形成共轴叠加的层叠结构，其特征在于：
所述北斗一代S频段的圆极化天线5，采用厚度h5为2mm～3mm陶瓷微带天线结构；
所述北斗二代B3频段圆极化天线3，采用厚度h3为7mm～9mm的陶瓷微带天线结构，该微带天线的基片31选用介电常数为15～17、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷材料，基片中心设有第一探针孔34、第二探针孔35和频率平衡孔36，基片上面印制的辐射贴片32为四周带有径向带线33的变形方形；
所述北斗一代L频段的圆极化天线4，采用厚度h4为3mm～4mm陶瓷微带天线结构，该微带天线的基片41选用介电常数为19～21、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷材料，基片中心设有S频段第三探针孔43，基片上面印制的辐射贴片45为对角带有切角42、四周带有径向带线44的变形方形。
作为优选，所述S频段圆极化天线5采用的微带贴片结构，选用介电常数为19～21、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷基片51，陶瓷基片51上印制有方环辐射贴片56，该贴片中心设有用于阻抗匹配的方孔53和微带线54，贴片的四条边中间均设有径向带线55；变形方环辐射贴片56，其边长S1为λ1/10，径向带线55的长度S2小于该方环辐射贴片的边长S1，径向带线55的宽度S3为1mm～2mm，其中λ1为S频段中心频率所对应的波长。
作为优选，所述B3频段的变形方形辐射贴片32，其边长L1为λ2/10，四周的径向带线33分别位于该变形方形辐射贴片的L1/2位置；径向带线33的宽度L3为2mm～3mm，径向带线55的长度L2＜L1，其中λ2为B3频段中心频率所对应的波长。
作为优选，所述L频段的变形方形辐射贴片45，其边长A1为λ3/10，四周的径向带线44均位于该变形方形辐射贴片的A1/2位置；径向带线44的宽度A3为2mm～3mm，径向带线44的长度A2＜A1，其中λ3为L频段中心频率所对应的波长。
作为优选，所述B3频段的方形辐射贴片边长L1，L频段的方形辐射贴片边长A1、S频段的方环辐射贴片边长S1，三者的长度关系为：S1＜A1＜L1。
作为优选，所述馈电网络板2采用厚度h2为1mm，介电常数εr为2.65的双面覆铜板制成，其包括B3频段的馈电网络21、L频段的馈电网络22和S频段的馈电网络23，该馈电网络板的底部固定有三个射频连接器24、25、26；
该B3频段的馈电网络21采用微带形式的Wilkinson功分器结构，功分器的出口与第一射频连接器24连接；
该L频段的馈电网络22采用微带形式的单馈电结构，其射频出口与第二射频连接器26连接；
该S频段的馈电网络23采用微带形式的单馈电结构，其射频出口与第三射频连接器25相连接。
作为优选，所述金属接地板1采用带腔金属接地板，腔内开有三个方形孔10、11、12，该金属接地板固定在馈电网络的正下方，并通过所述的三个方形孔10、11、12分别引出固定在馈电网络板下面的射频连接器24、25、26。
作为优选，所述探针6设为四个，其均选用直径为0.9mm的镀银芯线构成，每个探针与其所对应的辐射贴片相连接，即第一探针61与S频段的变形方环辐射贴片56连接，用于给该S频段的辐射贴片馈电，第二探针62与L频段的变形方形辐射贴片45连接，用于给该L频段的辐射贴片馈电，第三探针63和第四探针64均与B3频段的变形方形辐射贴片32连接，用于给该B3频段的辐射贴片馈电。
本发明具有如下优点：
1、本发明由于采用不同厚度高介电常数的陶瓷材料共轴叠加的方式来设计三频段圆极化天线，根据三个频段圆极化天线带宽的不同设计出三种不同的基片厚度，在手持设备体积狭小的空间内，有效展宽了各个频段圆极化天线的带宽，满足使用要求。
2、本发明通过双馈电微带形式Wilkinson功分器结构进一步展宽B3频段圆极化天线的带宽，使得该天线模块在北斗导航信号B3频段范围内具有较好的电压驻波比、方向图、轴比、增益等指标。
3、本发明由于采用“径向带线”技术，提高了天线的低仰角增益，最大程度的改善三频段圆极化天线低仰角的辐射特性。
4、本发明由于将第一探针孔、第二探针孔和第三探针孔进行金属化处理，削弱了层叠微带天线上下层间的电磁耦合，并且对S频段采用中心馈电技术降低了各频段间的相互影响，有效提高了收发两种模式天线间的隔离度，确保了天线的工作性能。
5、本发明由于采用低损耗、高介电常数的陶瓷作为三频段圆极化天线的基片，降低了陶瓷的介质损耗角正切值，减小了材料损耗，提高了天线的增益，并通过选用高介电常数的陶瓷，极大缩小了天线的体积，使得天线结构紧凑、剖面低、易于集成化。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明中的S频段贴片天线结构示意图；
图3是本发明中的L频段贴片天线结构示意图；
图4是本发明中的B3频段贴片天线结构示意图；
图5是本发明中的馈电网络板结构示意图；
图6是本发明中的馈电探针连接示意图；
图7是本发明中的金属底板结构示意图；
图8是本发明的第一实施例实测增益方向图；
图9是本发明的第二实施例实测增益方向图；
图10是本发明的第三实施例实测增益方向图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：
实施例1：设计B3频段中心频点法向增益为1.8dBic，L频段和S频段中心频点法向增益分别为2.8dBic和3.5dBic，体积为35mm×35mm×15mm手持双模小型化用户机天线。
参照图1，本实例的天线包括：底板1、馈电网络2、馈电探针6、北斗二代B3频段圆极化天线3、北斗一代L频段的圆极化天线4和北斗一代S频段的圆极化天线5。其中：所述三个圆极化天线的结构分别如图2、图3、图4所示。
参照如图2，所述北斗一代S频段圆极化天线5，采用陶瓷微带贴片结构，其采用厚度为2mm、介电常数是19的陶瓷材料作为基片51，陶瓷基片的上面印制有S频段的微带辐射贴片56，该辐射贴片采用四边带有径向带线55的变形方环形，变形方环的边长S1为λ1/10，径向带线55的长度S2小于变形方环辐射贴片的边长S1，径向带线55的宽度S3为3mm，该变形方环形辐射贴片的一个对角各带有切角52，切角的深度为1.5mm，其中λ1为S频段中心频率所对应的波长。该S频段圆极化天线采用中心馈电，即利用对角带切角52的变形方环形贴片产生的兼并模来实现右旋圆极化波。
参照如图3，所述北斗一代L频段的圆极化天线4采用陶瓷微带贴片结构，其选用厚度为3mm、介电常数为19的陶瓷基材作为基片41，陶瓷基片的上面印制有L频段的微带辐射贴片45，该辐射贴片45采用四周带有径向带线44的变形方形贴片，变形方形贴片的边长A1为λ3/10，其中λ3为L频段中心频率所对应的波长，径向带线44均位于A1/2位置，径向带线的长度A2＜A1，径向带线44的宽度A3为3mm；变形方形辐射贴片的一个对角各带有切角42，切角的深度为2mm。该L频段圆极化天线4采用单点馈电方式，在距天线中心距离W1为3.5mm
位置处给该辐射贴片馈电，并利用方形辐射贴片对角的切角42产生的兼并模来实现左旋圆极化波。L频段圆极化天线的中心设有一个直径为1.8mm的金属化通孔，即第三探针孔43。
参照图4所示，所述北斗二代B3频段圆极化天线3采用陶瓷微带贴片结构，其基片31采用边长为35mm×35mm、厚度为7mm、介电常数为15的陶瓷基材，陶瓷基片的上面印制有B3频段的微带辐射贴片32，该辐射贴片采用四周带有径向带线33的变形方形结构，其边长L1为λ2/10，其中λ2为B3频段中心频率所对应的波长；径向带线33位于L1/2位置；径向带线33的宽度L3为3mm，径向带线33的长度L2＜L1；该圆极化天线3上面设有三个金属化通孔，即第一探针孔34、第二探针孔35和频率平衡孔36，第一探针孔34位于天线的中心，其直径为1.8mm，第二探针孔35和频率平衡孔36分别位于距该B3频段圆极化天线中心3.5mm处的两个正交方向,孔的直径均为2mm。
上述北斗二代B3频段圆极化天线3、北斗一代L频段的圆极化天线4和北斗一代S频段的圆极化天线5这三个圆极化天线，按照工作频率由高到低、自上而下形成共轴叠加的层叠结构，即S频段圆极化天线5处于整个天线结构的最上层，L频段圆极化天线4位于S频段圆极化天线5的正下方，B3频段圆极化天线3位于L频段的圆极化天线4的正下方。
参照图5，所述馈电网络2，采用厚度h2是1mm，介电常数εr为2.65的单面覆铜板印制而成，其包括B3频段的馈电网络21、L频段的馈电网络22和S频段的馈电网络23，其中B3频段的馈电网络21采用微带形式的Wilkinson功分器结构；L频段的馈电网络22和S频段的馈电网络23均采用微带线形式的单馈电结构。该馈电网络通过馈电探针与所述的三个频段圆极化天线固定。
参照图6，馈电探针6设为四个，即第一探针61、第二探针62、第三探针63和第四探针64，其均选用直径为0.9mm的镀银芯线构成，每个探针与其所对应的辐射贴片相连接，其中：
第一探针61的一端与S频段圆极化天线辐射贴片的中心54相连接，给S频段圆极化天线馈电，另一端垂直穿过L频段天线的中心孔43和B3频段天线的中心孔34，再穿过馈电网络中心孔27与S频段天线的馈电网络23的一端231相连接。
第二探针62的一端与L频段圆极化天线的辐射贴片45相连接，另一端穿过B3频段圆极化天线3中的第二探针孔35并与L频段馈电网络22的一端221相连接。
第三探针63和第四探针64的一端均与B3频段圆极化天线的辐射贴片32相连接，另一端与B3馈电网络21的两个输入端211和212相连接。
所述的三个微带网络，其射频出口分别与三个射频连接器24、25、26相连接。
印制有馈电网络2的馈电网络板固定于B3频段圆极化天线3的正下方。
参照图7，所述底板1采用带腔金属底板，底板中设有三个5mm×5mm的方孔10、11、12，底板1固定在馈电网络板的正下发，三个射频连接器24、25、26分别从三个方孔中引出。
实施例2：设计B3频段中心频点法向增益为2.0dBic，L频段和S频段中心频点法向增益分别为3dBic和3.8dBic，体积为35mm×35mm×17mm手持双模小型化用户机天线。
本实例的整体组成部件及结构关系与实施例1相同，其三个圆极化天线的结构参数改变如下：
所述北斗一代S频段圆极化天线5，采用陶瓷微带贴片结构，其基片51采用厚度为2.5mm、介电常数是20的陶瓷材料，陶瓷基片上面印制有S频段的微带辐射贴片56，该辐射贴片采用四边带有径向带线55的变形方环形，变形方环的边长S1为λ1/10，径向带线55的长度S2小于变形方环辐射贴片的边长S1，径向带线55的宽度S3为2mm，其中λ1为S频段中心频率所对应的波长。
所述北斗一代L频段的圆极化天线4，采用陶瓷微带贴片结构，其选用厚度为3.5mm、介电常数为20的陶瓷基材作为基片41,陶瓷基片的上面印制有L频段的微带辐射贴片45，该辐射贴片45采用四周带有径向带线44的变形方形贴片，变形方形贴片的边长A1为λ3/10，其中λ3为L频段中心频率所对应的波长，径向带线44均位于A1/2位置，径向带线的长度A2＜A1，径向带线44的宽度A3为2.5mm。
所述北斗二代B3频段圆极化天线3采用陶瓷微带贴片结构，其基片31采用边长为35mm×35mm、厚度为8mm、介电常数为16的陶瓷基材,陶瓷基片的上面印制有B3频段的微带辐射贴片32，该辐射贴片采用四周带有径向带线33的变形方形结构，其边长L1为λ2/10，其中λ2为B3频段中心频率所对应的波长；径向带线33位于L1/2位置；径向带线33的宽度L3为2.5mm，径向带线33的长度L2＜L1。
实施例3：设计B3频段中心频点法向增益为2.5dBic，L频段和S频段中心频点法向增益分别为3.3dBic和4dBic，体积为35mm×35mm×19mm手持双模小型化用户机天线。
本实例的整体组成部件及结构关系与实施例1相同。其三个圆极化天线的结构参数改变如下：
所述北斗一代S频段圆极化天线5，采用陶瓷微带贴片结构，其基片51采用厚度为3mm、介电常数是21的陶瓷材料，陶瓷基片上面印制有S频段的微带辐射贴片56，该辐射贴片采用四边带有径向带线55的变形方环形，变形方环的边长S1为λ1/10，径向带线55的长度S2小于变形方环辐射贴片的边长S1，径向带线55的宽度S3为1mm，其中λ1为S频段中心频率所对应的波长。
所述北斗一代L频段的圆极化天线4采用陶瓷微带贴片结构，其选用厚度为4mm、介电常数为21的陶瓷基材作为基片41,陶瓷基片的上面印制有L频段的微带辐射贴片45，该辐射贴片45采用四周带有径向带线44的变形方形贴片，变形方形贴片的边长A1为λ3/10，其中λ3为L频段中心频率所对应的波长，径向带线44均位于A1/2位置，径向带线的长度A2＜A1，径向带线44的宽度A3为2mm。
所述北斗二代B3频段圆极化天线3采用陶瓷微带贴片结构，其基片31采用边长为35mm×35mm、厚度为9mm、介电常数为17的陶瓷基材,陶瓷基片的上面印制有B3频段的微带辐射贴片32，该辐射贴片采用四周带有径向带线33的变形方形结构，其边长L1为λ2/10，其中λ2为B3频段中心频率所对应的波长；径向带线33位于L1/2位置；径向带线33的宽度L3为2mm，径向带线33的长度L2＜L1。
本发明的效果可通过如下实测方向图进一步说明：
1)实测条件
本发明中，将天线模块统一安装于统型的军用手持机机壳上方并在128多探头标准实验室进行测试。
2)实测内容与结果
实测1，对实例1所述天线体积为35mm×35mm×15mm的模块进行不同频段的方向图测试，结果如图8所示，其中：
图8(a)是B3频段中心频点法向极化增益方向图，
图8(b)是L频段中心频点法向极化增益方向图，
图8(c)是S频段中心频点法向极化增益方向图，
从实测的结果图可见，B3频段的中心频点法向增益为1.89dBi,L频段的中心频点法向增益为3.1dBi，S频段的中心频点法向增益为3.7dBi，满足实例1的设计要求。
实测2，对实例2所述天线体积为35mm×35mm×17mm的模块进行不同频段的方向图测试，结果如图9所示，其中：
图9(a)是B3频段中心频点法向极化增益方向图，
图9(b)是L频段中心频点法向极化增益方向图，
图9(c)是S频段中心频点法向极化增益方向图，
从本实测的结果图可见，B3频段的中心频点法向增益为2.41dBi,L频段的中心频点法向增益为3.27dBi，S频段的中心频点法向增益为3.9dBi，满足实例2的设计要求。
实测3，对实例3所述天线体积为35mm×35mm×19mm的模块进行不同频段的方向图测试，结果如10所示，其中：
图10(a)是B3频段中心频点法向极化增益方向图，
图10(b)是L频段中心频点法向极化增益方向图，
图10(c)是S频段中心频点法向极化增益方向图，
从实测的结果图可见，B3频段的中心频点法向增益为2.7dBi,L频段的中心频点法向增益为3.6dBi，S频段的中心频点法向增益为4.0dBi，满足实例3的设计要求。

Claims (9)

1.一种手持双模小型化用户机天线，包括底板(1)、馈电网络(2)、馈电探针(6)、北斗二代B3频段圆极化天线(3)、北斗一代L频段的圆极化天线(4)和北斗一代S频段的圆极化天线(5)，所述的三个圆极化天线按照工作频率由高到低、自上而下形成共轴叠加的层叠结构，其特征在于：
所述北斗一代S频段的圆极化天线(5)，采用厚度h5为2mm～3mm陶瓷微带天线结构；
所述北斗二代B3频段圆极化天线(3)，采用厚度h3为7mm～9mm的陶瓷微带天线结构，该微带天线的基片(31)选用介电常数为15～17、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷材料，基片中心设有第一探针孔(34)、第二探针孔(35)和频率平衡孔(36)，基片上面印制的辐射贴片(32)为四周带有径向带线(33)的变形方形；
所述北斗一代L频段的圆极化天线(4)，采用厚度h4为3mm～4mm陶瓷微带天线结构，该微带天线的基片(41)选用介电常数为19～21、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷材料，基片中心设有S频段第三探针孔(43)，基片上面印制的辐射贴片(45)为对角带有切角(42)、四周带有径向带线(44)的变形方形。
2.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：S频段圆极化天线(5)采用的微带贴片结构，选用介电常数为19～21、介质损耗为0.003～0.0015的陶瓷基片(51)，陶瓷基片(51)上印制有方环辐射贴片(56)，该贴片中心设有用于阻抗匹配的方孔(53)和微带线(54)，贴片的四条边中间均设有径向带线(55)。
3.根据权利要求2所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：S频段的变形方环辐射贴片(56)，其边长S1为λ1/10，径向带线(55)的长度S2小于该方环辐射贴片的边长S1，径向带线(55)的宽度S3为1mm～3mm，其中λ1为S频段中心频率所对应的波长。
4.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：B3频段的变形方形辐射贴片(32)，其边长L1为λ2/10，四周的径向带线(33)分别位于该变形方形辐射贴片的L1/2位置；径向带线(33)的宽度L3为2mm～3mm，径向带线(55)的长度L2＜L1，其中λ2为B3频段中心频率所对应的波长。
5.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：L频段的变形方形辐射贴片(45)，其边长A1为λ3/10，四周的径向带线(44)均位于该变形方形辐射贴片的A1/2位置；径向带线(44)的宽度A3为2mm～3mm，径向带线(44)的长度A2＜A1，其中λ3为L频段中心频率所对应的波长。
6.根据权利要求1或3或4或5所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于B3频段的方形辐射贴片边长L1，L频段的方形辐射贴片边长A1、S频段的方环辐射贴片边长S1，三者的长度关系为：S1＜A1＜L1。
7.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：馈电网络板(2)采用厚度h2为1mm，介电常数εr为2.65的覆铜板制成，其包括B3频段的馈电网络(21)、L频段的馈电网络(22)和S频段的馈电网络(23)，该馈电网络板的底部固定有三个射频连接器(24，25，26)；
所述B3频段的馈电网络(21)采用微带形式的Wilkinson功分器结构，功分器的出口与第一射频连接器(24)连接；
所述L频段的馈电网络(22)采用微带形式的单馈电结构，其射频出口与第二射频连接器(26)连接；
所述S频段的馈电网络(23)采用微带形式的单馈电结构，其射频出口与第三射频连接器(25)相连接。
8.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于：金属接地板(1)采用带腔金属接地板，腔内开有三个方形孔(10，11，12)，该金属接地板固定在馈电网络的正下方，并通过所述的三个方形孔(10，11，12)分别引出固定在馈电网络板下面的射频连接器(24、25、26)。
9.根据权利要求1所述的手持双模小型化用户机天线，其特征在于，探针(6)设为四个，其均选用直径为0.9mm的镀银芯线构成，每个探针与其所对应的辐射贴片相连接，即第一探针(61)与S频段的变形方环辐射贴片(56)连接，用于给该S频段的辐射贴片馈电，第二探针(62)与L频段的变形方形辐射贴片(45)连接，用于给该L频段的辐射贴片馈电，第三探针(63)和第四探针(64)均与B3频段的变形方形辐射贴片(32)连接，用于给该B3频段的辐射贴片馈电。
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