CN104466382A

CN104466382A - 基于嵌套递归旋转对称csrr分布阵列的叠层微带天线

Info

Publication number: CN104466382A
Application number: CN201410853219.6A
Authority: CN
Inventors: 周建华; 黎江威; 肖振宁; 游佰强; 周涛; 薛团辉; 李�杰
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2014-12-31
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2034-12-31
Also published as: CN104466382B

Abstract

基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，涉及一种微带天线。为良导体和介质基板无间隙交叠组成的5层结构，从上至下依次为上良导体层、上基板、中良导体层、下基板和下良导体层；上良导体层为带有嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构和切角结构的1阶Minkowski分形上辐射贴片，所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构设有与天线几何中心对称的8个阵元，阵元为互补开口谐振环结构，分布阵列结构由两阶阵列嵌套递归而成，所述两阶阵列是由靠近贴片中心的第一阶四元阵列和分散在贴片四个角落的第二阶四元阵列组成，所述第一阶四元阵列的四个阵元和第二阶四元阵列的四个阵元均在与天线边缘呈45°角方向，以90°旋转对称形式排列而成，且互补开口谐振环的中心均位于贴片对角线上；中良导体层为带小孔和切角的1阶Minkowski分形下辐射贴片。

Description

基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，特别是涉及一种在分形贴片上嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列，并与切角简并模结构和叠层结构相结合，通过综合优化CSRR阵列分布位置，切角大小和开缝参数，可以覆盖北斗导航系统的基本频段，也可推广到兼容GPS及多频应用体系的基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国目前正在实施的具有自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统相比，既能提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，还具有短报文通信、差分服务和完好性服务特色。目前该系统已成功应用于航空航天、航海、陆地交通等军事及民用领域，产生了显著的经济效益和社会效益，因此其发展具有重要的意义。

天线作为卫星导航系统最前端的关键器件，对系统的发展起到极为重要的作用。随着各类无线通信的迅速发展，传统的卫星天线已经无法满足小型化、多应用等的需求。而且北斗导航系统是主动式双向测距二维导航，用户设备必须包含发射机和接收机，这就对北斗终端天线提出来更高的要求。因此，对北斗天线的小型化、宽带化和多应用兼容的研究具有很大的实用意义。

而微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极地推广与应用。其中辐射贴片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、增益和极化等指标。

虽然近年来，具有小型宽带特性的北斗导航天线领域已有了不少研究，但主要集中在单频或双频，特别对于三频及其以上，兼容GPS导航系统应用的叠层微带天线研究相对较少。本发明中采用在分形结构上加载嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构和切角结构来实现小型化、宽带化和多频化，其对应的可调频率比的变化范围较大，完全可以满足北斗、GPS卫星通信系统的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种覆盖GPS、北斗的工作频段，可实现较高隔离度，满足导航天线尺寸小、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的要求的基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线。

本发明为良导体和介质基板无间隙交叠组成的5层结构，从上至下依次为上良导体层、上基板、中良导体层、下基板和下良导体层；上良导体层为带有嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构和切角结构的1阶Minkowski分形上辐射贴片，所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构设有与天线几何中心对称的8个阵元，所述阵元为互补开口谐振环(CSRR)结构，所述分布阵列结构由两阶阵列嵌套递归而成，所述两阶阵列是由靠近贴片中心的第一阶四元阵列和分散在贴片四个角落的第二阶四元阵列组成，所述第一阶四元阵列的四个阵元和第二阶四元阵列的四个阵元均在与天线边缘呈45°角方向，以90°旋转对称形式排列而成，且互补开口谐振环(CSRR)的中心均位于贴片对角线上；中良导体层为带小孔和切角的1阶Minkowski分形下辐射贴片；所述下良导体层为接地板。

所述上下基板可采用陶瓷双面覆铜基板、陶瓷双面覆银基板、环氧复合板双面覆铜基板或环氧复合板双面覆银基板等，上下基板的相对介电常数可为9～15，上下基板均可采用正方形结构，上基板的边长可为20～30mm，厚度可为2～4mm；下基板的边长可为40～55mm，厚度可为2～4mm。

所述1阶Minkowski分形上辐射贴片可采用带四个长方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长可为15～21mm，所述四个长方形缺口分布在正方形辐射贴片四边中心处，长方形缺口的长度可为5～7mm，宽度可为2～3mm；所述1阶Minkowski分形上辐射贴片的切角结构可采用对角上两个大小相等的等腰直角三角形，腰长可为1.4～2.0mm；所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列，靠近贴片中心的四个阵元中心与贴片轴线间隔可为2.0～2.5mm，分散在贴片四个角落的四个阵元中心与贴片边缘间隔可为2.5～3.0mm，通过调节CSRR阵列分布位置可控制天线的特性。

所述开口谐振环可由一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合；外环边长可为2～3mm，内环边长可为1～2mm，环宽和环间距均可为0.1～0.4mm；两环在一边的中点处有开口，均是矩形，长边可为0.3～0.7mm，短边可等于环宽，开口环呈C字型。

所述带小孔和切角的1阶Minkowski分形下辐射贴片可采用带四个正方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长可为20～25mm；所述正方形缺口，边长可为3.6～4.4mm；所述1阶Minkowski分形下辐射贴片的切角可采用两个大小相等的等腰直角三角形，腰长可为2.4～3.0mm；在下正方形辐射贴片距离中心1.5～2.5mm处设有直径为0.8～1.2mm的小孔，用于同轴馈电。

与现有的北斗导航天线相比，本发明引入嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构实现了天线频点及增益的可调性，可完全覆盖GPS、北斗卫星定位系统的工作范围。采用叠层耦合双馈电结构，具有较高的隔离度特性。本发明的设计频带为三频，其频段分别为1.570～1.580GHz、1.615～1.625GHz和2.487～2.497GHz，满足北斗卫星导航系统尺寸小、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的要求，可很好地使用到兼容GPS的北斗终端系统中。

附图说明

图1为本发明实施例的侧面结构示意图。

图2为本发明实施例的上良导体层结构示意图。

图3为本发明实施例的下良导体层结构示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。图中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(dB)。

图5为本发明实施例的回波损耗(S22)性能图。图中的横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(dB)。

图6为本发明实施例的E面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例的H面方向图。在图7中，坐标为极坐标。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参见图1～3，本发明实施例设有上良导体层1、上基板2、中良导体层3、下基板4和下良导体层5，中良导体层3的馈电端6和上良导体层1的馈电端7。上基板2和下基板4的相对介电常数为10±5％，均采用正方形结构，所述上基板2的边长为23.6±0.2mm，所述下基板4的边长为50.0±0.5mm，厚度均为3.0±0.2mm。上良导体层1为带有嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构12和切角结构13的1阶Minkowski分形上辐射贴片11，其中上辐射贴片11为带四个长方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长为16.4±0.2mm；所述四个长方形缺口分布在正方形辐射贴片四边中心处，长方形缺口的长度D为5.3±0.2mm、宽度E为2.6±0.2mm；所述上辐射贴片11的切角结构13为对角上两个大小相等的等腰直角三角形，腰长为1.7±0.2mm；所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构12，靠近贴片中心的四个阵元中心与贴片轴线间隔为2.25±0.05mm，分散在贴片四个角落的四个阵元中心与贴片边缘间隔为2.65±0.05mm；所述开口谐振环由一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合；外环边长A为2.5±0.1mm，内环边长B为1.5±0.1mm，环宽和环间距均为0.25±0.05mm；两环在一边的中点处有开口，均是矩形，长边C为0.5±0.2mm，短边等于环宽，开口环呈C字型。

中良导体层3为带小孔6和切角32的1阶Minkowski分形下辐射贴片31，所述下辐射贴片31为带四个正方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长为23.6±0.5mm；所述正方形缺口边长F为4.0±0.2mm；所述1阶Minkowski分形下辐射贴片31的切角32为两个大小相等的等腰直角三角形，腰长为2.6±0.2mm；在下辐射贴片31距离中心2.1±0.2mm处设有直径为1.0±0.1mm的小孔6，用于同轴馈电。

参见图4和图5，从图中可以看出，本发明天线的工作频段覆盖了1.570～1.580GHz、1.615～1.625GHz和2.487～2.497GHz。在这三个工作频段内天线的回波损耗都在-10dB以下，其中1.575GHz频点的回波损耗为-18.5916dB，1.616GHz频点的回波损耗为-21.2280dB，2.492GHz频点的回波损耗为-24.6124dB。从上可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求，且带宽都很宽，可以很好地应用于兼容GPS的北斗天线系统中。

参见图6和图7，分别为1.575GHz、1.616GHz和2.492GHz时的E面图和H面图。从图中可以看出，本发明具有定向辐射特性且增益比较好，可以满足卫星通信系统的要求。

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1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。工作频段为1.570～1.580GHz，1.615～1.625GHz，2.487～2.497GHz。

Claims

1.基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于为良导体和介质基板无间隙交叠组成的5层结构，从上至下依次为上良导体层、上基板、中良导体层、下基板和下良导体层；上良导体层为带有嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构和切角结构的1阶Minkowski分形上辐射贴片，所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列结构设有与天线几何中心对称的8个阵元，所述阵元为互补开口谐振环(CSRR)结构，所述分布阵列结构由两阶阵列嵌套递归而成，所述两阶阵列是由靠近贴片中心的第一阶四元阵列和分散在贴片四个角落的第二阶四元阵列组成，所述第一阶四元阵列的四个阵元和第二阶四元阵列的四个阵元均在与天线边缘呈45°角方向，以90°旋转对称形式排列而成，且互补开口谐振环(CSRR)的中心均位于贴片对角线上；中良导体层为带小孔和切角的1阶Minkowski分形下辐射贴片；所述下良导体层为接地板。

2.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述上基板和下基板均采用陶瓷双面覆铜基板、陶瓷双面覆银基板、环氧复合板双面覆铜基板或环氧复合板双面覆银基板。

3.如权利要求1或2所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述上基板和下基板的相对介电常数均为9～15，上基板和下基板均可采用正方形结构，上基板的边长可为20～30mm，厚度可为2～4mm；下基板的边长可为40～55mm，厚度可为2～4mm。

4.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述1阶Minkowski分形上辐射贴片采用带四个长方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长为15～21mm，所述四个长方形缺口分布在正方形辐射贴片四边中心处，长方形缺口的长度为5～7mm，宽度可为2～3mm。

5.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述1阶Minkowski分形上辐射贴片的切角结构采用对角上两个大小相等的等腰直角三角形，腰长为1.4～2.0mm。

6.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列，靠近贴片中心的四个阵元中心与贴片轴线间隔为2.0～2.5mm，分散在贴片四个角落的四个阵元中心与贴片边缘间隔为2.5～3.0mm。

7.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述开口谐振环由一对开口方向相反的正方形环嵌套组成，两环中心位置重合；外环边长为2～3mm，内环边长为1～2mm，环宽和环间距均为0.1～0.4mm；两环在一边的中点处有开口，均是矩形，长边可为0.3～0.7mm，短边可等于环宽，开口环呈C字型。

8.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述带小孔和切角的1阶Minkowski分形下辐射贴片采用带四个正方形缺口的正方形辐射贴片，正方形辐射贴片边长为20～25mm。

9.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述正方形缺口，边长为3.6～4.4mm。

10.如权利要求1所述基于嵌套递归旋转对称CSRR分布阵列的叠层微带天线，其特征在于所述1阶Minkowski分形下辐射贴片的切角采用两个大小相等的等腰直角三角形，腰长可为2.4～3.0mm；在下正方形辐射贴片距离中心1.5～2.5mm处设有直径为0.8～1.2mm的小孔，用于同轴馈电。