CN104617396B - 带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线 - Google Patents
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Abstract
带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，涉及一种双频微带天线。设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，所述上表面良导体层为正方形贴片，所述正方形贴片中心沿对角线方向刻有矩形缝隙，所述正方形贴片外沿挖有四个呈中心对称分布的梯形宽槽，所述梯形宽槽内设置有斜梯式调谐臂的辐射结构，所述斜梯式调谐臂上刻有多个平行四边形状耦合孔；通过斜梯式调谐臂调节天线高低频频比，以精确产生所需的高低频频段，斜梯式调谐臂末端设有耳状耦合圆环，通过耳状耦合圆环可控制天线频点，并有效实现匹配阻抗，展宽天线频带，所述下表面良导体层为正方形接地板。双频易调谐、宽频带、高增益、结构简单，可应用于北斗收发一体终端。
Description
技术领域
本发明涉及一种双频微带天线，尤其涉及一种适用于北斗卫星导航系统的小型化收发一体的带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线。
背景技术
世界步入信息化时代后，测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域都关乎民生，而它们都离不开定位和导航系统。因此继能源和信息资源后，空间资源以其广阔的应用和特殊的地位越来越受到各国政府的关注和重视，特别是其提供的定位和导航功能，在军事领域有着重大的意义和作用。目前世界上共有四大卫星导航系统：美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯独立完成的全球导航卫星系统(GLONASS)、欧洲国家正在构建的伽利略导航卫星系统(GALILEO)以及我国正在建设的北斗卫星导航系统(COMPASS)。
天线作为卫星通信系统必不可少的一部分，决定着卫星通信系统的性能好坏。由于北斗卫星导航系统是采用主动式双向测距二维导航，所以用户设备必须包含发射机。为满足北斗系统用户端收发一体和与其他卫星导航系统多模兼容，要求天线在双频段和多频段具有良好的性能。因此，北斗天线的多频化就成了研究的重点。
随着卫星导航技术的广泛应用，已有各种天线运用到卫星系统中，如单极子天线、螺旋天线及微带天线等。其中，微带天线因为具有剖面低、体积小、可共形、易集成、馈电方式灵活等优点，已在卫星通信领域获得了广泛应用。但微带频带较窄，展宽应用于卫星导航系统微带天线的频带成为当前研究的难点。
如文献所述，对于应用于卫星导航的多频微带天线，国内外主要研究的是叠层耦合多频微带天线、单层多馈多频微带天线、多频窄带微带天线等。([1]Falade O P,Gao Y,Chen X,et al.Stacked-patch dual-polarized antenna for triple-band handheldterminals[J].Antennas and Wireless Propagation Letters,IEEE,2013,12:202-205；[2]Sun X,Zhang Z,Feng Z.Dual-band circularly polarized stacked annular-ringpatch antenna for GPS application[J].Antennas and Wireless PropagationLetters,IEEE,2011,10:49-52；[3]Liao W,Chu Q X,Du S.Tri-band circularlypolarized stacked microstrip antenna for GPS and CNSS applications[C]//Microwave and Millimeter Wave Technology(ICMMT),2010International Conferenceon.IEEE,2010:252-255；[4]Al-Joumayly M A,Aguilar S M,Behdad N,et al.Dual-bandminiaturized patch antennas for microwave breast imaging[J].Antennas andWireless Propagation Letters,IEEE,2010,9:268-271；[5]Singh A K,Meshram MK.Shorting pin loaded dual-band compact rectangular microstrip antenna[J].International journal of electronics,2007,94(3):237-250；[6]Lin S Y,Huang KC.A compact microstrip antenna for GPS and DCS application[J].Antennas andPropagation,IEEE Transactions on,2005,53(3):1227-1229)。
虽然近年来，应用于卫星导航系统的微带天线已有不少研究成果，但主要集中在叠层耦合多频、单层多馈多频、窄带多频等，对于单层单馈多频且具有较宽频带的微带天线很少有成功样例。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双频易调谐、宽频带、高增益、结构简单，可应用于北斗收发一体终端的带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线。
本发明设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，所述上表面良导体层为正方形贴片，所述正方形贴片中心沿对角线方向刻有矩形缝隙，所述正方形贴片外沿挖有四个呈中心对称分布的梯形宽槽，所述梯形宽槽内设置有斜梯式调谐臂的辐射结构，所述斜梯式调谐臂上刻有多个平行四边形状耦合孔；通过斜梯式调谐臂调节天线高低频频比，以精确产生所需的高低频频段，所述斜梯式调谐臂末端设有耳状耦合圆环，通过耳状耦合圆环可控制天线频点，并有效实现匹配阻抗，展宽天线频带，所述下表面良导体层为正方形接地板。
所述上表面良导体层可采用铜导体层或银导体层，所述下表面良导体层可采用铜导体层或银导体层。
所述介质基板的介电常数可为2～10，长度可为26～34mm，宽度可为26～34mm，厚度可为1.2～1.6mm。
所述上表面良导体层的辐射贴片结构轮廓为正方形，所述正方形贴片边长可为26～32mm，通过调节正方形边长可改变天线的低频特性。
所述上表面良导体层中心沿对角线方向的矩形缝隙长度可为3.5～4.5mm，宽度可为0.8～1.2mm，通过所述矩形缝隙引导电流流向。
所述上表面良导体层的梯形宽槽底边长度可为17.5～22.5mm，高度可为4.5～6.0mm，底角可为45°±5°。
所述上表面良导体层的斜梯式调谐臂的辐射结构由斜臂、横臂组成，所述斜臂水平宽度可为1.8～2.2mm，竖直高度可为4～4.4mm，与底边夹角可为45°±5°；所述斜臂上刻有1～6个平行四边形状耦合孔。所述耦合孔底边长可为0.5～0.7mm，斜边长可为0.5～0.7mm，两边夹角可为45°±5°，耦合孔间距为0.6～0.8mm。所述斜梯式调谐臂的横臂水平宽度可为9.6～10.6mm，高度可为0.6～0.8mm。通过斜梯式调谐臂调节天线高、低频特性，可精确产生所需的高低频频比。
所述上表面良导体层的耳状耦合圆环通过外圆面挖掉内圆面形成，所述外圆半径可为1.2～1.6mm，所述内圆半径可为0.5～0.9mm，所述耳状耦合圆环通过一条短斜臂连接斜梯式调谐臂，所述短斜臂长度可为0.9～1.1mm，高度可为0.6～0.8mm，与斜梯式调谐臂夹角可为135°±5°。通过耳状耦合圆环可控制天线频点，并有效实现匹配阻抗，展宽天线频带。
所述下表面良导体层的接地板结构轮廓为正方形，所述正方形接地板边长可为26～34mm。
与现有卫星导航微带天线相比，本发明具有以下突出的优点和显著地效果：
宽槽技术应用到辐射贴片，与斜梯臂调谐技术和耳状圆环耦合技术相结合，通过系列技术的综合优化，实现了天线的结构紧凑小巧，成本低廉，易于生产，多频兼容。由于采用了以上结构，本发明具有1.606～1.618GHz、2.479～2.497GHz的带通特性，能够很好地满足北斗系统收发一体需求。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构组成示意图。
图2为本发明实施例的主视结构示意图。
图3为本发明实施例的上表面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1.616GHz处E面方向图。在图5中，坐标为极坐标。
图6为本发明实施例的1.616GHz处H面方向图。在图6中，坐标为极坐标。
图7为本发明实施例的2.492GHz处E面方向图。在图7中，坐标为极坐标。
图8为本发明实施例的2.492GHz处H面方向图。在图8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1～4，本发明实施例设有介质基板2、上表面良导体层1、下表面良导体层3。介质基板1的介电常数为6.15，长度为30mm，宽度为30mm，厚度为1.27mm。上表面良导体层1为正方形贴片，正方形边长为30mm；正方形中心挖有矩形缝隙14，矩形缝隙长度为3.5～4.5mm，宽度为0.8～1.2mm；正方形中心线上挖有馈电孔15，馈电孔与正方形中心距离为4.9mm；正方形外沿挖有四个梯形宽槽11，梯形宽槽底边长度为17.5～22.5mm，高度为4.5～6.0mm，底角为45°±5°。梯形宽槽11上设置有斜梯式调谐臂12，斜梯式调谐臂由斜臂、横臂组成，所述斜臂水平宽度为1.8～2.2mm，竖直高度为4～4.4mm，与底边夹角为45°±5°；所述斜臂上刻有N个平行四边形状耦合孔，N可为1、2、3，……6。所述耦合孔底边长为0.5～0.7mm，斜边长0.5～0.7mm，两边夹角为45°±5°，耦合孔间距为0.6～0.8mm。所述斜梯式调谐臂的横臂水平宽度为9.6～10.6mm，高度为0.6～0.8mm；所述斜梯式调谐臂12末端设有耳状耦合圆环13，耳状耦合圆环通过外圆面挖掉内圆面形成，所述外圆半径为1.2～1.6mm，所述内圆半径为0.5～0.9mm，耳状耦合圆环13通过一条短斜臂连接斜梯式调谐臂，所述短斜臂长度为0.9～1.1mm，高度为0.6～0.8mm，与斜梯式调谐臂夹角为135±5°；下表面良导体层3为正方形辐射贴片，正方形边长为30mm。
参见图5，从图5中可以看出，本发明天线的工作频段为1.606～1.618GHz、2.479～2.497GHz。在这两个工作频段内天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下，在L频段内的最小回波损耗为-16.4232dB，S频段内的最小回波损耗为-18.0043dB。从上可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性能均达到要求。本发明天线在L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.013G与0.8％；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.019GHz与0.76％，好于一般的贴片微带天线，可以很好地应用于北斗卫星系统中。
参见图5～8，其中图5和6为1.616GHz时的E面图和H面图，图7和图8为2.492GHz时的E面图和H面图。从图中可看出，本发明具有定向辐射特性，增益方向图特性较好，可以满足卫星通信系统的要求。
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给出本发明的制造加工误差对天线的影响特性。
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。
Claims (10)
1.带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于设有介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，所述上表面良导体层为正方形贴片，所述正方形贴片中心沿对角线方向刻有矩形缝隙，所述正方形贴片外沿挖有四个呈中心对称分布的梯形宽槽，所述梯形宽槽内设置有斜梯式调谐臂的辐射结构，所述斜梯式调谐臂上刻有平行四边形状耦合孔；所述斜梯式调谐臂末端设有耳状耦合圆环，所述下表面良导体层为正方形接地板。
2.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层采用铜导体层或银导体层，所述下表面良导体层采用铜导体层或银导体层；所述介质基板的介电常数可为2～10，长度可为26～34mm，宽度可为26～34mm，厚度可为1.2～1.6mm。
3.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层的辐射贴片结构轮廓为正方形，所述正方形贴片边长为26～32mm。
4.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层中心沿对角线方向的矩形缝隙长度为3.5～4.5mm，宽度为0.8～1.2mm。
5.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层的梯形宽槽底边长度为17.5～22.5mm，高度为4.5～6.0mm，底角为45°±5°。
6.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层的斜梯式调谐臂的辐射结构由斜臂、横臂组成，所述斜臂水平宽度为1.8～2.2mm，竖直高度为4～4.4mm，与底边夹角为45°±5°；所述斜臂上刻有1～6个平行四边形状耦合孔。
7.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述耦合孔底边长为0.5～0.7mm，斜边长为0.5～0.7mm，两边夹角为45°±5°，耦合孔间距为0.6～0.8mm。
8.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述斜梯式调谐臂的横臂水平宽度为9.6～10.6mm，高度为0.6～0.8mm。
9.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述上表面良导体层的耳状耦合圆环通过外圆面挖掉内圆面形成，所述外圆半径为1.2～1.6mm，所述内圆半径为0.5～0.9mm，所述耳状耦合圆环通过一条短斜臂连接斜梯式调谐臂，所述短斜臂长度可为0.9～1.1mm，高度可为0.6～0.8mm，与斜梯式调谐臂夹角可为135°±5°。
10.如权利要求1所述带斜梯式调谐臂及耳状耦合圆环的北斗双频宽频微带天线，其特征在于所述下表面良导体层的接地板结构轮廓为正方形，所述正方形接地板边长为26～34mm。
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Granted publication date: 20170510 |