CN104821432A - 互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线 - Google Patents
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Abstract
互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，涉及一种微带天线。设有上下介质基板，上下介质基板的上表面均敷有良导体层，下介质基板下表面叠放有良导体接地层；上介质基板上表面设有开槽和切角的正方形贴片，下介质基板上表面设有开槽、切角和过孔的正方形贴片，所述切角是在相对于上层正方形贴片切角的另外一组对角，且采用内切三角形控频结构；过孔在正方形贴片的中间；下介质基板下表面叠加有一层正方形良导体层作为接地板，且采用两个同轴结构实现高隔离度的双频馈电。具有高度集成化、结构简单、双频工作、带宽大、辐射特征好、受环境因素影响小、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。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及用于北斗卫星导航定位系统的互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线。
背景技术
北斗卫星导航定位系统(BeiDou)是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS)。目前该导航系统具备在中国及其周边地区范围内的高精度、高可靠定位、导航、授时和报文功能，并已在测绘、电信、水利、电力、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重要作用[1]。
天线是卫星的核心关键技术之一，它决定着卫星通信系统的性能。随着卫星技术的飞速发展，人们对其天线在宽带化、小型化和多频化等方面提出了更高的要求。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，这就对北斗终端天线提出来较高的要求。北斗卫星导航定位系统工作于上行L频段(1616±5MHz，左旋圆极化)，下行S频段(2492±5MHz，右旋圆极化)。
因此，对北斗天线的多频化和圆极化的研究具有重要的参考价值和实用意义。
微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它具有剖面低、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[2]-[3]。目前已在移动通信，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。
文献[4]中首先提出在接地板上加载互补开口谐振环结构，这种结构表现出负介电常数特性，有良好的阻带特性，并且实现了器件的小型化。随后互补开口谐振环结构被广泛应用于各种微波设备和微带天线的小型化设计[5]-[8]。本发明采用叠层技术[9]-[11]，在辐射贴片上加载互补开口谐振环结构与环形缝隙结构，有效的改变贴片表面电流分布，实现了天线的小型化设计。并且互补开口谐振环与环形缝隙形成的新型柱状立体电磁调节结构加大了天线频点的可调控性，扩展了固有频率的覆盖范围。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于提供辐射特性可控、高集成化、带宽大，且易于实现的多频覆盖应用于北斗卫星导航定位系统双频的互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线。
本发明设有上介质基板和下介质基板，上介质基板上表面和下介质基板上表面均敷有良导体层，下介质基板下表面叠放有一层良导体接地层；上介质基板上表面设有开槽和切角的正方形贴片，所述开槽采用互补开口谐振环阵列，所述互补开口谐振环阵列由4个分别关于正方形贴片中心轴对称，开口方向依次旋转90度的互补开口谐振环单元组成；所述互补开口谐振环由一对开口方向相反中心位置重合的正方形环嵌套组成平面互补开口谐振环阵列，且距离上正方形贴片的两边距离相等；所述正方形环的开口在一边的中点处呈矩形C字框，互补开口谐振环可以改变上介质基板上表面正方形贴片电流分布，用于实现小型化和频点调谐；上层正方形贴片一组对角采用边缘场缓变的圆弧切角结构，可以实现圆极化以及频点调谐扩展带宽；下介质基板上表面设有开槽、切角和过孔的正方形贴片，所述开槽均采用环形缝隙，且环形缝隙槽结构的中心与上介质基板的对应位置的互补开口谐振环结构中心重合，构成四个新型的带双辐射的立体柱状电磁调节结构，可以调节天线的工作频点、工作带宽、方向增益、极化特性等；所述切角是在相对于上层正方形贴片切角的另外一组对角，且采用内切三角形控频结构，以实现圆极化，调谐工作频点；过孔在正方形贴片的中间；下介质基板下表面叠加有一层正方形良导体层作为接地板，且采用两个同轴结构实现高隔离度的双频馈电。
所述良导体层可采用铜层或银层；所述上介质基板和下介质基板均可采用低耗高性能的复合陶瓷介质基板，相对介电常数可为6～15，最好为10.0±5％；上介质基板和下介质基板均可采用正方形结构，所述上介质基板长度可为20～28mm，下介质基板长度可为30～42mm，介质基板厚度均可为1.5～3.0mm。
所述上介质基板上表面设有开槽和切角的正方形贴片，正方形贴片的边长为15～25mm。所述开槽采用互补开口谐振环阵列，所述互补开口谐振环阵列由4个分别关于正方形贴片中心轴对称，开口方向依次旋转90度的互补开口谐振环单元组成，其中每个单元距离为2～3mm；所述互补开口谐振环由一对开口方向相反中心位置重合的正方形环嵌套组成平面互补开口谐振环，且距离上层正方形贴片的两边距离相等，距离上层正方形贴片的两边距离可为2～3mm，其中外环边长4～6mm，内环边长2～3mm，环宽均为0.2～0.6mm；所述正方形环的开口在一边的中点处，均是边长为0.2～0.6mm的正方形，开口环呈矩形C字框；上层正方形贴片一组对角采用边缘场缓变的圆弧切角结构，圆弧半径可调，典型值为1.6±0.1mm，通过调节圆弧大小可以调控天线的特性。
所述下介质基板上表面设有开槽、切角和过孔的正方形贴片，边长为20～30mm，所述下介质基板上表面的正方形贴片上有环形缝隙开槽，每个环形缝隙槽的结构中心与上介质基板的对应位置的互补开口谐振环结构中心重合，其中环缝宽0.1～0.5mm，外圆半径为2～3mm，内圆半径为1.5～2.5mm，环形缝隙槽之间间距2～4mm，互补开口谐振环和正下方的环形缝隙槽构成了四个新型的带双辐射的立体柱状电磁调节结构，可以调节其尺寸实现天线的工作频点、方向增益、极化特性等。
所述下介质基板上表面的切角是在相对于上层正方形贴片切角的另外一组对角，且采用内切三角形控频结构，其中三角形为关于正方形贴片对角线对称的等腰三角形，所述三角形底边为1～2mm，高为3～6mm，且在正方形贴片对角线上的顶点距离正方形贴片两边距离为3～5mm，通过调节等腰三角形顶点的位置可以调节天线的性能；在所述正方形贴片上距离几何中心1～5mm处开一个圆形过孔，小圆孔直径为1～2mm。
所述下介质基板下表面有边长为40～60mm的正方形良导体层作为接地板。
本发明与常规微带天线相比具有以下优点：
采用了双层贴片叠层结构，同时通过改变边缘场缓变的圆弧切角和内切三角形控频结构切角的尺寸大小来实现圆极化特性和频点的可调性；互补开口谐振环阵与环形缝隙立体单元相结合，构成新型的带双辐射的立体柱状电磁调节结构，可以调节天线的工作频点、工作带宽、方向增益、极化特性等。拓宽了固有频带，覆盖了北斗卫星定位系统的工作范围。本发明具有双频工作频带，如：北斗卫星导航定位系统的上行L频段(1616±5MHz，左旋圆极化)，下行S频段(2492±5MHz，右旋圆极化)，增益较高，符合北斗卫星导航定位系统的终端天线的要求。
综上所述，本发明具有高度集成化、结构简单、双频工作、带宽大、辐射特征好、受环境因素影响小、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为本发明实施例的上介质基板上表面示意图。
图2为本发明实施例的下介质基板上表面示意图。
图3为本发明实施例的下介质基板下表面接地板示意图。
图4为本发明实施例的侧面示意图。
图5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Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB)。
图6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Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB)。
图7为本发明实施例在L频段(中心频点1.616GHz)的E面和H面方向图。在图7中，坐标为极坐标。
图8为本发明实施例在S频段(中心频点2.492GHz)的E面和H面方向图。在图8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。
参照图1～4，本发明设有上下两层介质基板，上介质基板与下介质基板无缝叠放；在上介质基板1的上表面和下介质基板2的上表面均敷有良导体，在下介质基板2的下表面叠放有一层良导体接地层。实施例上下两层介质基板均为正方形轮廓，介电常数为10，上层边长为23mm，下层边长为33mm，厚度均为3mm。上介质基板1上表面雕刻有开槽和切角的正方形贴片3，边长为16.3±0.1mm；所述开槽采用互补开口谐振环阵列,所述互补开口谐振环阵列由4个分别关于正方形贴片中心轴对称，开口方向依次旋转90度的互补开口谐振环单元组成，其中每个单元间距离为2±0.1mm；所述互补开口谐振环由一对开口方向相反中心位置重合的正方形环嵌套组成平面互补开口谐振环阵列，且距离上层正方形贴片的两边距离相等，为2.2±0.1mm，其中外环边长5±0.1mm，内环边长3±0.1mm，环宽均为0.5±0.1mm；所述正方形环的开口在一边的中点处，均是边长为0.5±0.1mm的正方形，开口环呈矩形C字框；上层正方形贴片的一组对角采用边缘场缓变的圆弧切角结构，圆弧半径可调，典型值为1.6±0.1mm，通过调节圆弧大小可以调控天线的特性。在下介质基板2上表面敷设正方形贴片4，边长为28.2±0.1mm，正方形贴片4上加载环形缝隙，每个环形缝隙槽结构的中心与上介质基板的对应位置的互补开口谐振环结构中心重合，其中环缝宽0.2mm，外圆半径为2.4±0.1mm，内圆半径为2.2±0.1mm，环形缝隙之间间距2.2±0.1mm；在相对于上层正方形贴片3切角的另外一组对角，采用内切三角形控频结构切角，其中三角形为关于正方形贴片4对角线对称的等腰三角形，所述三角形底边为1.9±0.1mm，高为4.7±0.1mm，且正方形贴片4对角线上的顶角距离正方形贴片两边距离为4.1±0.1mm；在正方形贴片4上距离几何中心2±0.1mm处开一个圆形小孔，小圆孔直径为2±0.1mm；最下层地板5是边长为55±5mm的正方形导体层作为接地板。
图中标注6和7为同轴馈电点，直径都为1.0mm±0.1mm的空心圆柱，其中同轴馈电点6穿过1、2、4对3进行馈电，高度为6mm±0.2mm。而同轴馈电点7是穿过2对4进行馈电。高度为3mm±0.1mm。本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电，这种馈电形式使得天线的反射系数更低，增益增大。其中铜轴线的内芯通过馈孔与贴片连接，而铜轴线的外芯与介质板下表面的反射板相连。
参见图5和图6，从中可以看出，本发明天线的工作频段1.598GHz～1.636GHz与2.457GHz～2.551GHz。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-41.36dB，S频段内的最小回波损耗为-15.80dB。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。本发明天线在L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.038G与2.35％；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.094GHz与3.77％，带宽较宽，性能良好，可以很好地应用于北斗卫星系统中。
参见图7到图8，其中图7为1.616GHz时的E面和H面方向图，本发明天线增益图呈面包状，后瓣很小，最大辐射方向天线增益为3.4dB，符合北斗卫星终端天线的设计要求。图8为2.492GHz时的E面和H面方向图。本发明天线增益图呈面包状，后瓣很小，最大辐射方向天线增益为4.1dB，从图中我们看出本发明具有定向辐射特性。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。
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。
本发明率先将互补开口谐振环结构与环形缝隙构成新的立体调控结构引入北斗天线的设计中，并将这种结构组阵，通过互补开口谐振环结构和正下方的环形缝隙形成的新型柱状立体电磁调节结构加大了天线频点的可调控性，扩展了固有频率的覆盖范围。同时，采用边缘场缓变的圆弧切角和内切三角形控频切角可以减小天线尺寸，实现圆极化，结合介电性能好的陶瓷或者改性环氧复合陶瓷板基底，有助于实现天线的小型化。
Claims (8)
1.互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于设有上介质基板和下介质基板，上介质基板上表面和下介质基板上表面均敷有良导体层，下介质基板下表面叠放有一层良导体接地层；上介质基板上表面设有开槽和切角的正方形贴片，所述开槽采用互补开口谐振环阵列，所述互补开口谐振环阵列由4个分别关于正方形贴片中心轴对称，开口方向依次旋转90度的互补开口谐振环单元组成；所述互补开口谐振环由一对开口方向相反中心位置重合的正方形环嵌套组成平面互补开口谐振环阵列，且距离上正方形贴片的两边距离相等；所述正方形环的开口在一边的中点处呈矩形C字框，互补开口谐振环可以改变上介质基板上表面正方形贴片电流分布，用于实现小型化和频点调谐；上层正方形贴片一组对角采用边缘场缓变的圆弧切角结构，可以实现圆极化以及频点调谐扩展带宽；下介质基板上表面设有开槽、切角和过孔的正方形贴片，所述开槽均采用环形缝隙，且环形缝隙槽结构的中心与上介质基板的对应位置的互补开口谐振环结构中心重合，构成四个新型的带双辐射的立体柱状电磁调节结构，可以调节天线的工作频点、工作带宽、方向增益、极化特性等；所述切角是在相对于上层正方形贴片切角的另外一组对角，且采用内切三角形控频结构，以实现圆极化，调谐工作频点；过孔在正方形贴片的中间；下介质基板下表面叠加有一层正方形良导体层作为接地板，且采用两个同轴结构实现高隔离度的双频馈电。
2.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于所述良导体层采用铜层或银层。
3.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于所述上介质基板和下介质基板均采用复合陶瓷介质基板，相对介电常数为6～15，最好为10.0±5％。
4.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于上介质基板和下介质基板均采用正方形结构，所述上介质基板长度为20～28mm，下介质基板长度为30～42mm，介质基板厚度均为1.5～3.0mm。
5.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于在上介质基板上表面设有开槽和切角的正方形贴片中，正方形贴片的边长为15～25mm；开槽采用互补开口谐振环阵列，所述互补开口谐振环阵列由4个分别关于正方形贴片中心轴对称，开口方向依次旋转90度的互补开口谐振环单元组成，其中每个单元距离为2～3mm；所述互补开口谐振环由一对开口方向相反中心位置重合的正方形环嵌套组成平面互补开口谐振环，且距离上层正方形贴片的两边距离相等，距离上层正方形贴片的两边距离为2～3mm，其中外环边长4～6mm，内环边长2～3mm，环宽均为0.2～0.6mm；正方形环的开口在一边的中点处，均是边长为0.2～0.6mm的正方形，开口环呈矩形C字框；上层正方形贴片一组对角采用边缘场缓变的圆弧切角结构，圆弧半径可调，典型值为1.6±0.1mm，通过调节圆弧大小可以调控天线的特性。
6.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于在下介质基板上表面设有开槽、切角和过孔的正方形贴片中，正方形贴片的边长为20～30mm，正方形贴片上设有环形缝隙开槽，每个环形缝隙槽的结构中心与上介质基板的对应位置的互补开口谐振环结构中心重合，其中环缝宽0.1～0.5mm，外圆半径为2～3mm，内圆半径为1.5～2.5mm，环形缝隙槽之间间距2～4mm，互补开口谐振环和正下方的环形缝隙槽构成4个带双辐射的立体柱状电磁调节结构。
7.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于所述下介质基板上表面的切角是在相对于上层正方形贴片切角的另外一组对角，且采用内切三角形控频结构，其中三角形为关于正方形贴片对角线对称的等腰三角形，所述三角形底边为1～2mm，高为3～6mm，且在正方形贴片对角线上的顶点距离正方形贴片两边距离为3～5mm；在正方形贴片上距离几何中心1～5mm处开一个圆形过孔，小圆孔直径为1～2mm。
8.如权利要求1所述互补开口环与环型缝隙立体腔阵列调控北斗双频微带天线，其特征在于所述下介质基板下表面有边长为40～60mm的正方形良导体层作为接地板。
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