CN105281024A - 一种小型化北斗导航天线阵元 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线阵元，具体涉及一种小型化北斗导航天线阵元。它包括天线阵元谐振辐射，该天线阵元谐振辐射为立方体或圆柱体，天线阵元谐振辐射由介质基板构成，在天线阵元谐振辐射的上、下表面分别设置上表面金属层和下表面金属层，在下表面金属层的一侧开若干金属化盲孔，在天线阵元谐振辐射上开有两个通孔，该两个通孔用于设置天馈电路，在下表面金属层一侧，下表面金属层与天馈电路之间设置安全间距。本发明的效果是：本发明与采用同样介质基板的传统微带天线相比，根据盲孔参数的改变，面积可以减小约达23％以上。

Description

一种小型化北斗导航天线阵元

技术领域

本发明属于天线阵元，具体涉及一种小型化北斗导航天线阵元。

背景技术

卫星导航天线的基本工作原理是同时能够接收到来自于天空中多颗(不少于4颗)导航卫星的电磁信号，并有效地将其转化为电信号传递给后级接收机系统。随着空间电磁环境的复杂化，能够实现抗干扰接收卫星信号的天线阵列得到日益增加的客户需求与青睐。而微带天线因为具有剖面低、易实现圆极化、易加工等优点，成为了卫星导航天线阵列的首选阵元形式。随着天线阵列的小型化需求日渐强烈，天线阵列设计者往往将天线阵元间距缩小，从而减小阵面口径。但为了达到天线阵列工作的优良性能，天线阵元间距的调节不能够被压缩得过小，这一间距与工作频率空间波长存在必然联系，因此通过缩短阵元间距实现天线阵列小型化的手段是存在极限的。而当达到这一极限时，若想进一步压缩天线阵列的体积，并且在天线阵元间距较小时，减轻阵元之间的互耦现象，则需要将天线阵元进行小型化设计。

常见的微带天线小型化技术中，最有效的方法就是选择介电常数更高的介质基板设计微带天线。以矩形微带天线为例，天线上表面的金属层矩形边长约等于工作频率波长/2/。但随着微带天线介质基板介电常数的升高，介质的电磁损耗也相应增加。而且在设计在介电常数过高的介质基板上的微带天线对尺寸的变化过为敏感，给天线的调试工作增加了难度。

目前采用较多的高介电常数介质基板原料为玻璃布板、PTFE及陶瓷复合材料，介电常数可以达到10～16之间，如美国的Rogers、Arlon等高档材料厂商所提供的板材最高介电常数均在10.2～10.9之间；而陶瓷含量96％以上的陶瓷介质基板介电常数可以达到20以上，甚至80或更高。通过综合衡量，使用介电常数20的陶瓷基板设计的边长为35mm的北斗导航天线阵元具有最好的尺寸、性能综合水平。而使用介电常数10.9的复合介质基板设计的传统北斗导航微带天线尺寸至少在40mm以上。

另一种常用的微带天线小型化方法是通过图形设计延长表面电流路径，等效扩展天线阵元上表面金属层面积，从而使天线谐振在更低的工作频率。这种方法通常在矩形微带天线表面金属的边缘开槽，以延长电流路径。但开槽的数量、深度、宽度等因素都会影响天线的正常工作，因此比较保险的做法是只在每条边开一条槽。因此对于天线工作频点的降低相应非常有限。

使用陶瓷基板制作微带天线虽然很容易实现天线小型化的目的，但是由于陶瓷本身带来的易碎、易裂等诸多工艺性问题，在很多对天线阵列可靠性要求较高的场合不宜使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种小型化北斗导航天线阵元。

本发明是这样实现的：一种小型化北斗导航天线阵元，其中，包括天线阵元谐振辐射体，该天线阵元谐振辐射体为立方体或圆柱体，天线阵元谐振辐射由介质基板构成，在天线阵元谐振辐射体的上、下表面分别设置上表面金属层和下表面金属层，在下表面金属层的一侧开若干金属化盲孔，在天线阵元谐振辐射上开有两个通孔，该两个通孔用于设置天馈电路，在下表面金属层一侧，下表面金属层与天馈电路之间设置安全间距。

如上所述的一种小型化北斗导航天线阵元，其中，所述的金属化盲孔为盲孔中镀金属层，相邻金属化盲孔的最小间距5mm，金属化盲孔深1.5mm。

如上所述的一种小型化北斗导航天线阵元，其中，当天线阵元谐振辐射体为立方体时，边长约为北斗导航频点波导波长的1/2，厚度0.07mm，在天线阵元谐振辐射的四个角上设置固定螺钉孔。

本发明的效果是：本发明与采用同样介质基板的传统微带天线相比，根据盲孔参数的改变，面积可以减小约达23％以上。但由于天线口径减小，天线的辐射效率及带宽也会减小。当以同样阵元间距进行天线阵列设计时，不仅可以得到更小的阵列口径面积，同时可以减小阵元之间的互耦。用本发明在介电常数为10.9的高频复合介质基板上所设计的北斗导航天线阵元可以达到使用介电常数为21的陶瓷基板设计的35mm边长天线阵元尺寸，从而解决了使用陶瓷微带天线工艺性差的问题。

附图说明

图1是小型化北斗导航天线阵元俯视图；

图2是小型化北斗导航天线阵元底视图；

图3是小型化北斗导航天线阵元剖视图；

图4是小型化北斗导航天线阵元工作原理图。

图中：1.天线阵元谐振辐射体、2.天馈电路、3.介质基板、4.上表面金属层、5.固定螺钉孔、6.下表面金属层、7.金属化盲孔、8.安全间距。

具体实施方式

如附图1～3所示，一种小型化北斗导航天线阵元包括天线阵元谐振辐射体1，该天线阵元谐振辐射体1为立方体或圆柱体，天线阵元谐振辐射体1由介质基板3构成，在天线阵元谐振辐射体1的上、下表面分别设置上表面金属层4和下表面金属层6，在下表面金属层6的一侧开若干金属化盲孔7，在天线阵元谐振辐射体1上开有两个通孔，该两个通孔用于设置天馈电路2，在下表面金属层6一侧，下表面金属层与天馈电路之间设置安全间距8。

所述的安全间距8为

所述的金属化盲孔7为盲孔中镀金属层，相邻金属化盲孔7的最小间距5mm，金属化盲孔7深1.5mm。

当天线阵元谐振辐射体1为立方体时，边长约为北斗导航频点波导波长的1/2，厚度0.07mm，在天线阵元谐振辐射体1的四个角上设置固定螺钉孔5。

上表面金属层4为介质基板3自带覆铜，介质基板厂家出品。

下表面金属层6同样为介质基板3自带覆铜，铺满整个介质基板3下表面，并与固定螺钉孔5及金属化盲孔7的孔内金属相连接。只在天馈电路2的两个馈点孔处存在安全间距8。

本实例中，天馈电路2采用双馈点设计，通过后端耦合器实现右旋圆极化辐射特性。并扩展小型化天线阵元的带宽。双馈点阻抗均为50欧姆，与天线阵元谐振辐射体1馈电点阻抗匹配。

本实例中，介质基板选材为美国Arlon公司的AD1000，厚度3.226mm。覆铜厚度1oz，通过药水蚀刻制造上表面金属层4和下表面金属层6。固定螺钉孔5用于安装M2沉头螺钉。

整个天线的工作流程如图4所示，电信号经3dB耦合器，通过50欧姆匹配连接器将信号输入天馈电路2的2个馈电点；两路正交的电信号在上表面金属层4上产生旋转的电流，并通过下表面金属层6的耦合，在介质基板中3产生谐振电磁信号，并辐射至空间中；电流在流经下表面金属层6时，将沿金属化盲孔7的金属壁流动，从而延长了电流路径，达到是天线阵元小型化的目的。本实例天线为无源器件，图4所示的工作流程可逆，尤其在作为卫星导航天线使用时，天线为接收模式，图4所示的工作流程逆向进行。

Claims (3)

1.一种小型化北斗导航天线阵元，其特征在于：包括天线阵元谐振辐射体(1)，该天线阵元谐振辐射体(1)为立方体或圆柱体，天线阵元谐振辐射体(1)由介质基板(3)构成，在天线阵元谐振辐射体(1)的上、下表面分别设置上表面金属层(4)和下表面金属层(6)，在下表面金属层(6)的一侧开若干金属化盲孔(7)，在天线阵元谐振辐射体(1)上开有两个通孔，该两个通孔用于设置天馈电路(2)，在下表面金属层(6)一侧，下表面金属层与天馈电路之间设置安全间距(8)。

2.如权利要求1所述的一种小型化北斗导航天线阵元，其特征在于：所述的金属化盲孔(7)为盲孔中镀金属层，相邻金属化盲孔(7)的最小间距5mm，金属化盲孔(7)深1.5mm。

3.如权利要求2所述的一种小型化北斗导航天线阵元，其特征在于：当天线阵元谐振辐射体(1)为立方体时，边长约为北斗导航频点波导波长的1/2，厚度0.07mm，在天线阵元谐振辐射体(1)的四个角上设置固定螺钉孔(5)。