CN105161842A

CN105161842A - 长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线

Info

Publication number: CN105161842A
Application number: CN201510666314.XA
Authority: CN
Inventors: 周建华; 唐瑜; 宋辉辉; 游佰强
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2015-10-15
Filing date: 2015-10-15
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-10-15
Also published as: CN105161842B

Abstract

长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，涉及一种多频微带天线。设有上介质基板、下介质基板和金属背腔；所述上介质基板上表面设有上层贴片，所述上层贴片为加载有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片的顶端和底端设有圆弧形凸起，可拓宽天线阻抗带宽；所述长袖衫型开口调谐环之间设有可引导表面电流流向的T型缝隙；所述下介质基板的上表面设有下层贴片，所述下层贴片为左、右两端分别切有圆弧形凹槽的圆形贴片；所述上层贴片相较于下层贴片向右偏心放置，以有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；所述金属背腔为带有倾斜反射面的金属腔，可提高天线低仰角增益。可显著提高天线低仰角增益，进而提高系统定位精度。

Description

长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线

技术领域

本发明涉及一种多频微带天线，尤其涉及一种适用于北斗卫星导航系统的长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国政府正在发展并旨在形成全球覆盖能力的卫星导航系统，它的出现及逐步完善极大地带动了我国卫星导航相关产业的发展。中国国家航空局于2000年发射第一颗北斗一代卫星，于2007年开始建设北斗卫星导航系统(北斗二号)，该系统能向上兼容北斗一代，2012年北斗二代已能为亚太地区客户提供服务，并计划在2020形成全球覆盖能力。随着科学技术的迅猛发展，以卫星导航系统为基础的时空信息服务正表现出越来越大的应用潜力，而具有短报文通信功能的北斗系统无疑将在我国各行业获得广泛应用

作为卫星导航系统的发射/接收单元，终端天线的功能及性能直接影响各类终端能否利用卫星导航系统正常发挥其作用。随着我国北斗系统向二代演进，需要设计能兼容北斗一代、二代频点的终端天线。北斗主要频段有北斗一代上行L频段(中心频点1616MHz)、下行S频段(中心频点2492MHz)，北斗二代B1、B2、B3频点(中心频点分别为1561MHz、1207MHz、1268MHz)。此外，在特定应用场合，为满足北斗系统与其他卫星导航系统多模兼容，也要求终端天线具有多频段兼容特性。为有效覆盖多个频段，天线需要具备多频或宽频特性。

根据三球定位原理，接收机天线至少要接收到三个卫星的信号才能定位，且接收到的卫星信号越多，特别是低仰角卫星信号，定位结果越精确。所以提高天线低仰角增益对于北斗天线有着重要的实用意义

目前微带天线多频化实现形式多样，可利用单层贴片的多模谐振、单层贴片的多谐振单元或采用叠层结构等。每种方式各有优缺点，如通过单馈单层多模谐振法来实现多频化时，天线结构简单，馈电简单，但可能出现带宽较窄、增益低等问题。利用叠层结构可获得良好的多频性能，且多频易调谐，但天线剖面较高，且采用多馈点时还需考虑端口隔离度等问题。

近年来，虽然应用于卫星导航系统的微带天线多频化已有不少研究成果，但主要集中在双频天线，对于可兼容北斗L、S和B3三个频段且具有低仰角高增益特性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阻抗带宽和回波损耗满足北斗系统要求、低仰角高增益、可同时兼容L、S和B3三个北斗频段的长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线。

本发明设有上介质基板、下介质基板和金属背腔；所述上介质基板上表面设有上层贴片，所述上层贴片为加载有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片的顶端和底端设有圆弧形凸起，可拓宽天线阻抗带宽；所述长袖衫型开口调谐环之间设有可引导表面电流流向的T型缝隙；所述下介质基板的上表面设有下层贴片，所述下层贴片为左、右两端分别切有圆弧形凹槽的圆形贴片；所述上层贴片相较于下层贴片向右偏心放置，以有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；所述金属背腔为带有倾斜反射面的金属腔，可提高天线低仰角增益。

所述上介质基板和下介质基板皆可采用高性能介质材料基板材料，相对介电常数为3～9，最好为6.15±5％。

所述上介质基板和下介质基板均可采用圆形介质基板，上介质基板的半径可为15～25mm，厚度可为2.5～3.5mm；下介质基板的半径可为30～45mm，厚度可为2.5～3.5mm。

所述上层贴片结构轮廓为顶端和底端设有圆弧形凸起的圆形结构，所述圆形结构的半径为15～25mm，所述圆弧形凸起的半径为3.5～6.0mm。通过圆弧形凸起结构可对天线产生微扰，展宽L频段带宽。

所述上层贴片上设有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环，所述长袖衫型开口调谐环结构缝隙宽度为0.7～1.2mm，外环外边长为4.8～7.8mm，外环内边长为4～6mm，内环外边长为3～5mm，内环内边长为2.2～3.7mm。

所述长袖衫型开口调谐环结构通过在互补金属开口环结构(CSRR)的外环缝隙延伸出两条长袖型缝隙形成，所述长袖型缝隙张角为66°～86°，外径长为17～24mm，内径长为15～22mm，宽度为0.7～1.2mm，两条长袖之间的缝隙宽为1.5～2.5mm。所述长袖衫型开口调谐环结构除具有CSRR结构的小型化作用外，还能激励适用于北斗系统的双频谐振(北斗L和S频段)，并通过调节开口环与天线中心的距离有效调谐双频比。

所述上层贴片层的长袖衫型开口调谐环之间设有T型缝隙，所述T型缝隙水平部分长度为5.0～8.2mm，宽度为0.7～1.2mm。所述T型缝隙竖线部分长度为4.0～6.6mm，宽度为0.7～1.2mm。通过加载T型缝隙可减小天线尺寸。

所述下层贴片结构轮廓为左右两端切有圆弧形凹槽的圆形结构。所述圆形结构半径为25～35mm。通过调节精确实现所需的工作频段。所述圆弧形凹槽的半径为3～5mm。

所述对上层贴片的馈电采用同轴线结构，所述馈电结构半径为0.5～0.8mm，实现特性阻抗为50欧姆的阻抗匹配。下层贴片为寄生辐射贴片，通过上层贴片对其耦合馈电。

所述上层圆形贴片相较于下层圆形贴片向右偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为0.5～0.8mm，下贴片位置相对上贴片旋转了0°，有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配。

所述下层介质基板下方有异形金属背腔，所述异形金属背腔结构为内部切有圆台结构的圆柱体，所述圆柱体半径为45～55mm，高度为5～9mm，所述圆台结构上表面半径为44～54mm，下表面半径为35～45mm，宽为15～22mm，高度为4～8mm。通过添加异形金属背腔，可显著提高天线低仰角增益。

与现有天线相比，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：

给出一种取形于CSRR结构的长袖衫型开口环，该结构在小型化天线的同时，使天线上层贴片获得了满足北斗系统要求的双频谐振。给出一种异形金属腔结构，该结构可显著提高天线低仰角增益，进而提高系统定位精度。为验证有效性，与同样大小的传统金属地板进行了性能对比分析，结果表明，由于采用了以上结构，本发明能兼容北斗L、S和B3频段，而且低仰角增益性能优良，能够适用北斗高精度定位需求。

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为本发明实施例的整体结构侧视图。

图3为本发明实施例的上基板表面良导体层结构示意图。

图4为本发明实施例的下基板表面良导体层结构示意图。

图5为本发明实施例的回拨损耗(S11)性能图、图中横坐标表示频率(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度(dB)。

图6为本发明实施例在B3频段时的增益方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例在L频段时的增益方向图。在图7中，坐标为极坐标。

图8为本发明实施例在S频段时的增益方向图。在图8中，坐标为极坐标。

图9为长袖衫型开口环两条长袖型缝隙张角Phi对天线回波损耗的影响。

图10为长袖衫型开口环与天线中心的距离Loz对天线回波损耗的影响。

图11为长袖衫型开口环外边长Lz1对天线回波损耗的影响。

图12为下层贴片与上层贴片的偏心距D0对天线回波损耗的影响。

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，本发明实施例由上层贴片、上介质基板、下层贴片、下介质基板和异形金属背腔五个部分组成。

上介质基板皆采用高性能介质基板材料，相对介电常数为3～9，典型取值为6.15±5％。上介质基板半径为15.0～25.0mm，典型取值为20.8±5％,厚度为2.5～3.5mm,典型取值为3.0±5％；下介质基板半径为30.0～45.0mm，典型取值为30.5±5％，厚度为2.5～3.5mm，典型取值为3.0±5％。

上层贴片结构轮廓为顶端和底端设有圆弧形凸起的圆形结构，所述圆形结构的半径为15～25mm，典型取值为19±5％，所述圆弧形凸起的半径为3.5～6.0mm，典型取值为5.0±5％。上层贴片上设有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环，所述长袖衫型开口调谐环结构缝隙宽度C5为0.7～1.2mm，典型取值为0.8±5％，外环外边长Lz1为4.8～7.8mm，典型取值为5.2±5％,外环内边长C3为4～6mm，典型取值为5±5％,内环外边长C2为3～5mm，典型取值为4±5％，内环内边长C1为2.2～3.7mm，典型取值为2.6±5％。所述长袖衫型开口调谐环通过在互补金属开口环结构(CSRR)的外环缝隙延伸出两条长袖型缝隙形成，所述长袖型缝隙张角Phi为66°～86°，典型值为77±5％，外径长为17.0～24.0mm，典型值为20.8±5％，内径长为15.0～22.0mm，典型值为19.5±5％，宽度C5为0.7～1.2mm，典型值为0.8±5％，两条长袖之间的缝隙宽C6为1.5～2.5mm，典型值为1.4±5％。所述上层贴片层的长袖衫型开口调谐环之间设有T型缝隙，所述T型缝隙水平部分长度C7为5.0～8.2mm，典型值为6.2±5％，宽度C5为0.7～1.2mm，典型值为0.8±5.0％。所述T型缝隙竖线部分长度C8为4.0～6.6mm，典型值为4.6±5％，宽度C5为0.7～1.2mm，典型值为0.8±5％。

下层贴片结构轮廓为左右两端切有圆弧形凹槽的圆形结构。所述圆形结构半径为25.0～35.0mm，典型值为27.1±5％。所述圆弧形凹槽的半径为3～5mm，典型值为4±5％。

所述对上层贴片馈电采用的是同轴线结构，所述同轴线结构半径为0.5～0.8mm，典型值为0.6±5％。所述上层圆形贴片相较于下层圆形贴片向右偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为0.5～0.8mm，典型值为0.6mm±5％，下贴片位置相对上贴片旋转了0°，有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配。所述下层介质基板下方设异形金属背腔，所述异形金属背腔为内部切有圆台结构的圆柱体，所述圆柱体半径为45～55mm，典型值为50±5％，高度为5～9mm，典型值为7±5％，所述圆台结构上表面半径为44～54mm，典型值为49±5％，下表面半径为35～45mm，典型值为40±5％，宽为15～22mm，典型值为18±5％，高度为4～8mm，典型值为6±5％。

参见图5，从图5中可以看出，本发明的阻抗频段有3段，分别为：1)阻抗频带为1.257～1.280GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在-10dB以下；2)阻抗频带为1.611～1.626GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在-10dB以下；3)阻抗频带为2.485～2.501GHz，在此频段内天线的回波损耗(S11)在-10dB以下。从上可以看出，该发明保证了北斗系统B3、L、S三个频段的兼容特性。

参见图6、图7和图8，图6为本发明实施例在L频段时的增益方向图，图7为本发明实施例在S频段时的增益方向图，图8为本发明实施例在B3频段时的增益方向图。从图6、图7和图8中可以看出，本发明具有定向辐射特性，背瓣很小，低仰角增益较大，可以满足高精度北斗系统导航定位的要求。

参见图9、图10和图11。图9为长袖衫型开口环两条长袖型缝隙张角Phi对天线回波损耗的影响，由图可知，当Phi从74度增大到76度时，L、S频段回波损耗特性基本不变，B3频段谐振频点在Phi增至75.5°产生，偏移从2.464GHz到2.560GHz，变化幅度约96MHz，可通过张角Phi对B3频段进行独立调节。图10为长袖衫型开口环与天线中心的距离Loz对天线回波损耗的影响，由图可知，当Loz由10.7mm增大到11.5mm时，L波段变化不大，在S频段，谐振频点从1.601GHz升至1.633GHz，变化幅度约为32MHz；在B3频段，谐振频点从2.472GHz升至2.492GHz，变化幅度约为20MHz，且升至11.3mm时，谐振特性消失，可通过Loz对天线低、高频同时调谐。图11为长袖衫型开口环外边长Lz1对天线回波损耗的影响，由图可知，当Lz1从5.2mm增大到6.2mm时，L波段变化不大，在S频段，谐振频点从1.643GHz降至1.607GHz，变化幅度约为36MHz；在B3频段，谐振频点在Lz1升至5.6mm出现，从2.500GHz降至2.483GHz，变化幅度约为17MHz，故可通过Lz1对天线低、高频同时调谐。

参见图12，图12为下层贴片与上层贴片的偏心距D0对回波损耗的影响。由图12可知，当D0从0.4mm增大至1.2mm时，B3频段谐振频点呈现无规律变化，波动幅度约为34MHz，且谐振频点处回波损耗值剧烈变化；L频段回损耗特性基本不变；随着D0变大，S频段谐振频点基本不变，但阻抗匹配效果越来越差。综上可知，可通过调节偏心距D0改善天线B3频段的阻抗匹配情况，并在不改变L波段回波损耗特性的情况下，平衡B3、S频段阻抗匹配效果。

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

1.长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于设有上介质基板、下介质基板和金属背腔；所述上介质基板上表面设有上层贴片，所述上层贴片为加载有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环的圆形辐射贴片，所述圆形辐射贴片的顶端和底端设有圆弧形凸起，可拓宽天线阻抗带宽；所述长袖衫型开口调谐环之间设有可引导表面电流流向的T型缝隙；所述下介质基板的上表面设有下层贴片，所述下层贴片为左、右两端分别切有圆弧形凹槽的圆形贴片；所述上层贴片相较于下层贴片向右偏心放置，以有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；所述金属背腔为带有倾斜反射面的金属腔，可提高天线低仰角增益。

2.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述上介质基板和下介质基板皆采用高性能介质材料基板材料，相对介电常数为3～9，最好为6.15±5％。

3.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述上介质基板和下介质基板均采用圆形介质基板，上介质基板的半径为15～25mm，厚度为2.5～3.5mm；下介质基板的半径为30～45mm，厚度为2.5～3.5mm。

4.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述上层贴片结构轮廓为顶端和底端设有圆弧形凸起的圆形结构，所述圆形结构的半径为15～25mm，所述圆弧形凸起的半径为3.5～6.0mm。

5.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述上层贴片上设有四个呈对称分布的长袖衫型开口调谐环，所述长袖衫型开口调谐环结构缝隙宽度为0.7～1.2mm，外环外边长为4.8～7.8mm，外环内边长为4～6mm，内环外边长为3～5mm，内环内边长为2.2～3.7mm。

6.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述长袖衫型开口调谐环结构通过在互补金属开口环结构的外环缝隙延伸出两条长袖型缝隙形成，所述长袖型缝隙张角为66°～86°，外径长为17～24mm，内径长为15～22mm，宽度为0.7～1.2mm，两条长袖之间的缝隙宽为1.5～2.5mm。

7.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述上层贴片层的长袖衫型开口调谐环之间设有T型缝隙，所述T型缝隙水平部分长度为5.0～8.2mm，宽度为0.7～1.2mm；所述T型缝隙竖线部分长度为4.0～6.6mm，宽度为0.7～1.2mm。

8.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述下层贴片结构轮廓为左右两端切有圆弧形凹槽的圆形结构；所述圆形结构半径为25～35mm；所述圆弧形凹槽的半径为3～5mm。

9.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述对上层贴片的馈电采用同轴线结构，所述馈电结构半径为0.5～0.8mm；下层贴片为寄生辐射贴片；

所述上层圆形贴片相较于下层圆形贴片向右偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为0.5～0.8mm，下贴片位置相对上贴片旋转0°。

10.如权利要求1所述长袖衫型开口调谐环低仰角高增益北斗多频微带天线，其特征在于所述下层介质基板下方设有金属背腔，所述金属背腔为内部切有圆台结构的圆柱体，所述圆柱体半径为45～55mm，高度为5～9mm，所述圆台结构上表面半径为44～54mm，下表面半径为35～45mm，宽度为15～22mm，高度为4～8mm。