CN105186128A - 带变电抗谐振环的csrr分布控制北斗双频天线 - Google Patents

Abstract

带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，涉及双频微带天线。设有正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层为正方形辐射贴片；正方形辐射贴片设有变电抗谐振环结构和CSRR分布控制结构，在正方形辐射贴片四个角外侧加载的闭合L形谐振环，并在正方形辐射贴片一组对角外侧加载的闭合L形谐振环上加载阶梯结构，闭合L形谐振环由正方形辐射贴片边沿与两个L形枝节构成；CSRR分布控制结构是在正方形辐射贴片四个角落分布加载互补开口谐振环结构，4个互补开口谐振环以90°旋转对称形式排列而成，并在正方形辐射贴片另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构，阶梯结构由里到外为第一级阶梯和第二级阶梯。

Description

带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线

技术领域

本发明涉及一种双频微带天线，尤其是涉及一种带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线。

背景技术

北斗卫星导航系统是我国自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，并与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统兼容互用的全球卫星导航系统，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。目前北斗卫星导航系统已经广泛应用在国防军事、个人位置服务、气象监测、道路交通管理、海运水运、航空运输、应急救援等方面。

正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度、授时精度和测速精度不断改进，具有国际先进水平；授时服务是向授权用户提供更安全的定位、授时、测速和GPS广域差分功能。北斗卫星导航系统预计到2020年左右形成覆盖全球的卫星导航定位系统。

天线是卫星导航系统的关键部件，天线的优劣直接影响卫星导航系统性能的好坏，随着卫星技术的不断进步，人们对天线的需求向着小型化、宽带化和多频化等方向发展。对于北斗卫星导航定位系统是主动式双向测距二维导航，用户终端必须包含发射机，这就对北斗终端天线提出较高要求。卫星导航系统工作的频段由B1、B2、B3、L和S频段，因此北斗天线的多频化和圆极化就成了研究的重点。

随着卫星导航定位系统的广泛应用，对卫星导航系统接收天线的研究层出不穷，目前常用的卫星终端天线有单极子天线、双极子天线、四臂螺旋天线、螺旋天线和微带天线。其中微带天线以其低轮廓、便于与电路集成、印刷雕刻工艺等优点著称，但也存在频带窄、增益较小、方向性差和效率低等缺点，因此对微带天线的研究具有十分重要的工程价值和理论意义。

目前采用带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线尚未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回波损耗低、增益及辐射特性可控、结构简单易加工，可适用于北斗卫星导航系统的双频圆极化微带天线。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，设有正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层为呈正方形的辐射贴片，下表面良导体层为正方形接地板；

正方形辐射贴片设有变电抗谐振环结构和CSRR分布控制结构，所述变电抗谐振环结构是在正方形辐射贴片四个角外侧加载的闭合L形谐振环，并在正方形辐射贴片一组对角外侧加载的闭合L形谐振环上加载带变电抗特性的阶梯结构，阶梯结构由里到外为第一级阶梯和第二级阶梯，所述闭合L形谐振环由正方形辐射贴片边沿与两个L形枝节构成；所述CSRR分布控制结构是在正方形辐射贴片四个角落分布加载的互补开口谐振环结构，4个互补开口谐振环以90°旋转对称形式排列而成，并在正方形辐射贴片的另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构，阶梯结构由里到外为第一级阶梯和第二级阶梯；所述正方形辐射贴片上设有馈电孔。

进一步：

所述介质基板采用陶瓷或环氧复合板，所述良导体层为铜层或银层，介质基板相对介电常数为2～18。

所述介质基板的边长为35mm～50mm，厚度为1mm～3mm。

所述L形枝节的长边长为6mm～16mm，宽为0.5mm～1.5mm，短边长为1mm～2mm，宽为0.5mm～1.5mm。

所述闭合L形谐振环上加载的阶梯结构的第一级阶梯宽度为5mm～10mm，高度为0.2mm～0.8mm，第二级阶梯宽度为0.5mm～3mm，高度为0.2mm～0.8mm。

所述正方形辐射贴片边长为15mm～30mm，所述互补开口谐振环结构由内外两个开口方向相反的正方形缝隙环嵌套组成，两个正方形缝隙环中心位置重合，外环外沿边长为4mm～6mm，外环缝隙宽度为0.2mm～0.8mm，内环外沿边长为2mm～3mm，内环缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；内外两个环在一边的中点处均有矩形开口，矩形开口宽度为0.5mm～1.5mm，内外两个开口环呈C字形，开口方向相反，所述互补开口谐振环的外沿与正方形辐射贴片边沿对齐，所述互补开口谐振环的中心与所述天线的几何中心距离为13mm～16mm。

正方形辐射贴片的另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构的第一级阶梯宽度为1mm～5mm，高度为0.2mm～0.5mm，第二级阶梯宽度为0.5mm～3mm，高度为0.2mm～0.5mm。

所述馈电孔中心与正方形辐射贴片中心的距离为5mm～12mm。

所述正方形接地板边长为40mm～60mm。

与常规微带天线比较，本发明具有以下突出优点：

本发明采用角部加载阶梯结构的正方形辐射贴片，与常规微带天线的切角结构相比，可以一定程度的减小天线的尺寸，实现天线小型化，同时改变高频阻抗特性和极化特性，更好地实现匹配和圆极化；本发明采用带变电抗谐振环加载的结构，结合内部正方形辐射贴片，可以触发覆盖北斗导航天线上下行S频段和L频段；本发明通过控制谐振环上的阶梯结构宽窄，可以调节低频的阻抗特性，同时控制相邻L形枝节之间凹缝宽度，可以控制耦合容抗的大小，调节天线的频点；本发明采用的CSRR分布控制结构，可以控制两个正交激励缝隙之间的相差并影响高频辐射增益及方向特性，其次通过耦合间接影响低频特性。本发明回波损耗小，如设计好的微带天线回波损耗都在-18dB以下，在低频1.616G绝对带宽优于70MHz，在高频2.492GHz的绝对带宽优于40MHz。此天线耗材少、成本低、结构简单、易集成、性能优越，十分适用于北斗卫星导航系统。

附图说明

图1为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的结构示意图。

图2为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的侧面结构示意图。

图3为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的上表面结构示意图。

图4为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的互补开口谐振环结构示意图。

图5为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的下表面结构示意图。

图6为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线的回波损耗(S₁₁)性能图。

图7为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线1.616GHz时的xoy面和xoz面增益方向图，图7中坐标为极坐标。

图8为本发明实施例的带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线2.492GHz时的xoy面和xoz面增益方向图，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和图2，带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，设有正方形介质基板(陶瓷介质基板)2、上表面良导体层(正方形辐射贴片)1、下表面良导体层(正方形接地板)3，标记4为SMA接头；标记5为馈电孔；正方形辐射贴片1和正方形接地板3分别敷于介质基板2的上下表面。

参见图1和图3，介质基板2的介电常数是5.8，介质基板2轮廓是正方形，边长为45mm±0.1mm，厚度为2±0.1mm。所述L形枝节的长边长b1为13.5±0.1mm，宽b2为0.9±0.1mm；短边长a1为1.6±0.1mm，宽a2为1.5±0.1mm。所述闭合L形谐振环上加载的阶梯结构的第一级阶梯宽度l1为9±0.1mm，高度w1为0.3±0.1mm，第二级阶梯宽度l2为1±0.1mm，高度w2为0.2±0.1mm。所述正方形辐射贴片1边长P为27.8±0.1mm。所述正方形辐射贴片1的另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构的第一级阶梯宽度ls1为3.2±0.1mm，高度ws1为0.3±0.1mm，第二级阶梯宽度ls2为1.8±0.1mm，高度ws2为0.3±0.1mm。所述馈电孔5中心与正方形辐射贴片1中心距离Fx为9.5±0.1mm。

参见图1和图4，所述互补开口谐振环由内外两个开口方向相反的正方形缝隙环嵌套组成，两个环中心位置重合，外环外沿边长cl1为6±0.1mm，外环缝隙宽度cw1为0.5±0.1mm，内环外沿边长cl2为3±0.1mm，内环缝隙宽度cw2为0.5±0.1mm；内外两个环在一边的中点处均有矩形开口，矩形开口宽度ck为0.5mm～2mm，内外两个开口环呈C字形，开口方向相反。互补开口谐振环的中心与天线几何中心的距离d为14.6mm±0.1mm。

参见图2和图5，所述正方形接地板3边长Gnd为45±0.1mm。

参见图6，可以看出，本发明天线在低频1.586GHz-1.657GHz范围内实现回波损耗S11小于-10dB，绝对带宽为72MHz，在高频2.476GHz-2.517GHz范围内实现回波损耗S11小于-10dB，绝对带宽为41MHz。

参见图7，为1.616GHz时XOZ面增益方向图和XOY面增益方向图。

参见图8，为2.492GHz时XOZ面增益方向图和XOY面增益方向图。

整体来说该天线具有尺寸小、双频特性、辐射特性好、结构简单、易于加工、频带宽等优点。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线在1.616GHz的影响情况。

参见表2，表2给出了本发明的制造加工误差对天线在2.492GHz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。

表2

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 (9)

1.带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，设有正方形介质基板，介质基板上下表面分别敷有良导体层，上表面良导体层为呈正方形的辐射贴片，下表面良导体层为正方形接地板；其特征在于：

正方形辐射贴片设有变电抗谐振环结构和CSRR分布控制结构，所述变电抗谐振环结构是在正方形辐射贴片四个角外侧加载的闭合L形谐振环，并在正方形辐射贴片一组对角外侧加载的闭合L形谐振环上加载带变电抗特性的阶梯结构，阶梯结构由里到外为第一级阶梯和第二级阶梯，所述闭合L形谐振环由正方形辐射贴片边沿与两个L形枝节构成；所述CSRR分布控制结构是在正方形辐射贴片四个角落分布加载的互补开口谐振环结构，4个互补开口谐振环以90°旋转对称形式排列而成，并在正方形辐射贴片的另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构，阶梯结构由里到外为第一级阶梯和第二级阶梯；所述正方形辐射贴片上设有馈电孔。

2.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述介质基板采用陶瓷或环氧复合板，所述良导体层为铜层或银层，介质基板相对介电常数为2～18。

3.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述介质基板的边长为35mm～50mm，厚度为1mm～3mm。

4.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述L形枝节的长边长为6mm～16mm，宽为0.5mm～1.5mm，短边长为1mm～2mm，宽为0.5mm～1.5mm。

5.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述闭合L形谐振环上加载的阶梯结构的第一级阶梯宽度为5mm～10mm，高度为0.2mm～0.8mm，第二级阶梯宽度为0.5mm～3mm，高度为0.2mm～0.8mm。

6.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述正方形辐射贴片边长为15mm～30mm，所述互补开口谐振环结构由内外两个开口方向相反的正方形缝隙环嵌套组成，两个正方形缝隙环中心位置重合，外环外沿边长为4mm～6mm，外环缝隙宽度为0.2mm～0.8mm，内环外沿边长为2mm～3mm，内环缝隙宽度为0.2mm～0.8mm；内外两个环在一边的中点处均有矩形开口，矩形开口宽度为0.5mm～1.5mm，内外两个开口环呈C字形，开口方向相反，所述互补开口谐振环的外沿与正方形辐射贴片边沿对齐，所述互补开口谐振环的中心与所述天线的几何中心距离为13mm～16mm。

7.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，正方形辐射贴片的另一组对角上加载带变电抗特性的阶梯结构的第一级阶梯宽度为1mm～5mm，高度为0.2mm～0.5mm，第二级阶梯宽度为0.5mm～3mm，高度为0.2mm～0.5mm。

8.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述馈电孔中心与正方形辐射贴片中心的距离为5mm～12mm。

9.如权利要求1所述带变电抗谐振环的CSRR分布控制北斗双频天线，其特征在于，所述正方形接地板边长为40mm～60mm。