CN105305045B - T型/斜l型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线 - Google Patents
T型/斜l型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线 Download PDFInfo
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Abstract
T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，涉及宽带微带天线。设有上层介质基板、下层介质基板和接地板，所述上层介质基板上表面敷有上层贴片，上层贴片为上下对角切有圆弧槽，左右对边切有矩形槽的六边形辐射贴片，圆弧槽和矩形槽之间设有斜L型缝隙，斜L型缝隙之间设有T型或类T型缝隙，类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构，通过T型缝隙、类T型缝隙及斜L缝隙加载，可引导天线表面电流流向，进而优化天线增益性能；下层介质基板的上表面敷有下层贴片，下层贴片为左右对角切有圆弧槽，上下对边切有矩形槽的六边形辐射贴片；上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，以实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；上层贴片上设有同轴馈电口。
Description
技术领域
本发明涉及宽带微带天线，尤其涉及一种适用于北斗卫星导航系统具有较宽频带、馈电简单的T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线。
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，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。所以北斗天线的多频化也就成了研究的重点。
北斗天线的圆极化研究也有着重要的实用意义。一方面，圆极化天线可以接收来自不同方向的线极化波，同样其辐射出的圆极化波也可以被任意形式的线极化天线接收；另一方面，圆极化波具有旋向正交性，当圆极化波打到平面障碍物的时候旋向会发生改变。这种特性能够抑制雨雾干扰和抗多径反射。
微带天线是卫星导航天线的常用形式。目前微带天线多频圆极化实现形式多样，可利用单层贴片的多模谐振、单层贴片的多谐振单元、超材料加载或采用叠层结构等。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圆极化时，天线结构简单，馈电简单，但可能带宽较窄，增益低。而利用叠层结构可获得良好的多频圆极化性能，但可能造成天线剖面高，馈电复杂等。虽然近年来，应用于北斗卫星导航系统的多频圆极化微带天线已有不少研究成果，但一般存在带宽窄、尺寸大、馈电复杂等不足，对于宽频带、馈电简单的双频圆极化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适用于北斗卫星导航系统具有较宽频带、馈电简单的T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线。
本发明设有上层介质基板、下层介质基板和接地板，所述上层介质基板上表面敷有上层贴片，所述上层贴片为上下对角切有圆弧槽，左右对边切有矩形槽的六边形辐射贴片，所述圆弧槽和矩形槽之间设有斜L型缝隙，所述斜L型缝隙之间设有T型或类T型缝隙，所述类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构，通过T型缝隙、类T型缝隙及斜L缝隙加载，可引导天线表面电流流向，进而优化天线增益性能，并有一定小型化作用；所述下层介质基板的上表面敷有下层贴片，所述下层贴片为左右对角切有圆弧槽，上下对边切有矩形槽的六边形辐射贴片；所述上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，以有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；上层贴片上设有同轴馈电口。
所述上层贴片和下层贴片皆可采用金属导体。所述上层介质基板的介电常数可为2～10，半径为13～21mm，厚度为2.5～3.5mm；所述下层介质基板半径介电常数可为2～10，半径为18～30mm，厚度为2.5～3.5mm。
所述上层贴片的六边形辐射贴片的边长可为13～21mm，所述圆弧槽的半径可为2.5～4.0mm，所述矩形槽的长度可为2.5～4.0mm，宽度可为0.8～1.2mm。通过圆弧切角和矩形切边可实现天线的圆极化。
所述斜L型缝隙的长边长度可为8～13mm，短边长度可为3～5mm，宽度可为0.6～1.0mm，长、短边夹角可为120±10°。
所述T型缝隙结构水平部分长度可为7.5～12.0mm，宽度可为0.8～1.2mm，竖直部分长度可为2.5～4.0mm，宽度可为0.8～1.2mm。所述类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构，缝隙水平部分长度可为3～5mm，宽度可为0.8～1.2mm，折线部分与水平部分弯折角度可为60±5°，长度可为2.0～3.2mm，宽度可为0.8～1.2mm。所述类T型缝隙竖直部分长度可为2.5～4.0mm，宽度可为0.8～1.2mm。通过T型缝隙、类T型缝隙及斜L缝隙加载，可引导天线表面电流流向，进而优化天线增益性能，并减小天线尺寸。
所述下层贴片的六边形辐射贴片边长可为19～33mm，通过调节变成半径可精确实现所需的北斗L频段。所述圆弧槽顶点位于六边形顶点处，半径可为2.5～4.0mm。所述矩形槽的长度可为2.5～4.0mm，宽度可为0.9～1.5mm。通过内切圆弧槽和矩形槽可以在天线中心频点附近产生双峰谐振，有效拓宽天线L频段带宽。
所述馈电口的半径可为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。
所述上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为1.2～2.1mm，下贴片位置相对上贴片旋转了90°，有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配和天线一体化。
所述接地板可采用圆形金属接地板，所述圆形金属接地板的半径可为25～35mm。
本发明采用叠层结构，下层贴片以六边形贴片为基础，通过对六边形对角处切圆弧、对边处切矩形实现圆极化。上层贴片也采用六边形贴片、通过上下对角切圆弧，左右对边切矩形实现圆极化，在此基础上，通过T型缝隙、L型引流缝隙加载，优化天线远场性能。然后采用偏心放置耦合馈电法，把上层贴片相较于下层贴片向左偏心放置，通过同轴线对上层贴片进行馈电，通过上层贴片对下层贴片进行耦合馈电，设计了一款双频宽频双圆极化叠层微带天线。
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：
内切槽技术应用到辐射贴片，与缝隙加载技术相结合，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，带宽、增益性能优良。由于采用了以上结构，本发明具有1.603～1.638GHz、2.456～2.540GHz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为本发明实施例的整体结构侧视图。
图3为本发明实施例的上层介质基板表面良导体层结构示意图。
图4为本发明实施例的下层介质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L频段的增益方向图，坐标为极坐标。
图7为本发明实施例S频段的增益方向图，坐标为极坐标。
图8为本发明实施例在正常馈电后的电流分布图。
图9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1、上层介质基板2、下层贴片3、下层介质基板4和接地板5。实施例介质基板1的介电常数为6.15，半径为13.0～21.0mm，典型取值为15.4mm,厚度为2.5～3.5mm,典型取值为3.0mm。介质基板2的介电常数为6.15，半径为18～30mm，典型取值为24mm,厚度为2.5～3.5mm,典型取值为3.0mm。上层贴片1结构轮廓为六边形，边长为13.0～21.0mm,典型取值为14.5mm；所述六边形贴片上下对角切有圆弧槽11，左右对边切有矩形槽15，所述圆弧槽顶点位于六边形顶点处，半径R1为2.5～4.0mm,典型取值为3.0mm；所述矩形槽长度L1为2.5～4.0mm,典型取值为3.0mm,宽度W1为0.8～1.2mm,典型取值为1.0mm。所述圆弧槽11和矩形槽15之间设有斜L型缝隙12，所述斜L型缝隙长边Lf1的长度为8～13mm,典型取值为9mm，宽度D3为0.60～1.00mm,典型取值为0.87mm，短边的长度Lf2为3.0～5.0mm，典型取值为3.5mm,宽度D3为0.60～1.00mm,典型取值为0.87mm，长、短边夹角为110°～130°,典型取值为120°。斜L型缝隙12之间设有T型缝隙14或类T型缝隙16，所述T型缝隙结构水平部分长度Lt1为7.5～12.0mm，典型取值为8.0mm，宽度Dt1为0.8～1.2mm，典型取值为0.8mm，竖直部分长度Lt2为2.5～4.0mm，典型取值为3.0mm，宽度Dt2为0.8～1.2mm，典型取值为0.8mm。所述类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构，缝隙水平部分长度La1为3～5mm，典型取值为4mm，宽度Da1为0.8～1.2mm，典型取值为1.0mm，折线部分与水平部分弯折角度为55°～65°，典型取值为60°,长度La2为2.0～3.2mm，典型取值为2.5mm，宽度Da2为0.8～1.2mm，典型取值为1.0mm。所述类T型缝隙竖直部分长度La3为2.5～4.0mm，典型取值为3.0mm，宽度Da3为0.8～1.2mm，典型取值为0.8mm。上层贴片1上还设有同轴馈电口13。下层贴片3结构轮廓为六边形，边长为19.0～33.0mm，典型取值为23.2mm；所述六边形贴片左右对角切有圆弧槽31，上下对边切有矩形槽33，所述圆弧槽顶点位于六边形顶点处，半径Rd为2.5～4.0mm,典型取值为3.0mm；所述矩形槽长度Ld为2.5～4.0mm,典型取值为3.0mm，宽度Wd为0.9～1.5mm,典型取值为1.2mm。下层贴片3上还设有同轴线过孔32。所述馈电结构半径为0.5～0.8mm，典型取值为0.6mm，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。所述上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为1.2～2.1mm，典型取值为1.6mm，下贴片位置相对上贴片旋转了90°，有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配和天线一体化。
参见图5，由图可知，本发明天线的工作频段为1.603～1.638GHz、2.456～2.540GHz。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小于-30dB，S频段内的最小回波损耗小于-20dB。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：35MHz与2.2％；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：84MHz与3.4％，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6、图7，图6为本发明实施例在1.616GHz处的增益方向图，由图可知，天线低频90度仰角增益为3.22dB，30度仰角增益为-1.13dB，10度仰角增益为-4.32dB；图7为本发明实施例在2.492GHz处的增益方向图，由图可知，天线高频90度仰角增益为5.81dB，30度仰角增益为0.18dB，10度仰角增益为-3.31dB。从图6、图7中可以看出，本发明具有定向辐射特性，增益性能良好，基本满足北斗导航天线增益要求。且通过比较两图可以看出，在接地板相同的情况下，频率越高，发射越强，前向增益大，后向增益小。
参见图8，图8为本发明实施例在正常馈电后的电流分布图，由图可知，电流主要分布在馈电点周围，通过引入T型及类T型分析，电流分布范围均匀的向四周延展，本发明中的缝隙确实起到曲流法引流作用。
参见图9，图9为下层贴片与上层贴片的偏心距D0对回波损耗的影响。由图可知，当D0从1.3mm增大至1.9mm时，L频段回损耗特性基本不变；随着D0变大，S频段谐振频点略向低频处变化，阻抗匹配性能变差。综上可知，可通过调节偏心距D0可改善天线两个频段的阻抗匹配比。
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.T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于设有上层介质基板、下层介质基板和接地板，所述上层介质基板上表面敷有上层贴片，所述上层贴片为上下对角切有圆弧槽，左右对边切有矩形槽的六边形辐射贴片，每两个相邻的圆弧槽和矩形槽之间均设有斜L型缝隙，共有4个斜L型缝隙；在所述斜L型缝隙中，处于左右对边的两两之间设有T型缝隙，而处于上下对角的两两之间设有类T型缝隙，所述类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构；通过T型缝隙、类T型缝隙及斜L缝隙加载，可引导天线表面电流流向，进而优化天线增益性能，并有小型化作用；所述下层介质基板的上表面敷有下层贴片，所述下层贴片为左右对角切有圆弧槽，上下对边切有矩形槽的六边形辐射贴片；所述上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，以有效实现单馈叠层多频天线的阻抗匹配；上层贴片上设有同轴馈电口。
2.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述上层贴片和下层贴片皆采用金属导体。
3.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述上层介质基板的介电常数为2～10，半径为13～21mm，厚度为2.5～3.5mm；所述下层介质基板半径介电常数为2～10，半径为18～30mm，厚度为2.5～3.5mm。
4.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述上层贴片的六边形辐射贴片的边长为13～21mm，所述圆弧槽的半径为2.5～4.0mm，所述矩形槽的长度为2.5～4.0mm，宽度为0.8～1.2mm。
5.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述斜L型缝隙的长边长度为8～13mm，短边长度为3～5mm，宽度为0.6～1.0mm，长、短边夹角为120±10°；所述T型缝隙结构水平部分长度为7.5～12.0mm，宽度为0.8～1.2mm，竖直部分长度为2.5～4.0mm，宽度为0.8～1.2mm。
6.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述类T型缝隙结构水平部分两端带有折线结构，缝隙水平部分长度为3～5mm，宽度为0.8～1.2mm，折线部分与水平部分弯折角度为60±5°，长度为2.0～3.2mm，宽度为0.8～1.2mm；所述类T型缝隙竖直部分长度为2.5～4.0mm，宽度为0.8～1.2mm。
7.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述下层贴片的六边形辐射贴片边长为19～33mm；所述圆弧槽顶点位于六边形顶点处， 半径为2.5～4.0mm；所述矩形槽的长度为2.5～4.0mm，宽度为0.9～1.5mm。
8.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述馈电口的半径为0.5～0.8mm，下层贴片为寄生辐射贴片。
9.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述上层贴片对于下层贴片向左偏心放置，上下层贴片中心偏离，偏离距离为1.2～2.1mm，下贴片位置相对上贴片旋转90°。
10.如权利要求1所述T型/斜L型引流缝隙双频宽带双圆极化微带叠层天线，其特征在于所述接地板采用圆形金属接地板，所述圆形金属接地板的半径为25～35mm。
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