CN105322288A - 卫星导航系统终端宽带小型微带天线 - Google Patents

Abstract

卫星导航系统终端宽带小型微带天线，涉及天线技术。本发明包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：介质基材包括介电常数为ε1的第一介质基材和介电常数为ε2的第二介质基材，16≤ε1≤18，10≤ε2≤12，且ε1-ε2≥4；贴片和激励探针之间设置有第一介质基材，激励探针包括横向部分和纵向部分；激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。本发明的有益效果是，体积小，精度高，带宽大，应用范围广，很适合用于通讯导航、手表系统、登山旅游、沙漠探险、深林防火、车辆监控、高铁运输。

Description

卫星导航系统终端宽带小型微带天线

技术领域

本发明涉及天线技术、宽带技术、小型化技术，特别涉及卫星导航天线。

背景技术

卫星导航系统是指为地面、海洋、空间、以及太空的各种的载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业系统。可实现对目标定位、导航、监管、管理。它已在军事和民用等领域发挥出重要作用，成为不可或缺的无线电应用的高技术。

随着北斗导航系统的不断完善，加上中国参与欧洲伽利略卫星导航系统的研发，目前国内已能够接收GPS、北斗、GLONASS、伽利略四套卫星导航系统信号。利用组合导航，可以使观测到的卫星数目会大幅度增加,有利于减少多路径效应，提高定位精度，缩短定位时间，提高观测结构的可靠性。特别是在城市、峡谷、密林深处等信号受到严重遮挡的情况下，尤为重要。

卫星导航系统终端天线多采用微带天线，这是因为微带天线轻、小，适宜平装和集成。普通微带天线工作频带比较窄，一般为2％左右，即或采用扩频加载技术，工作频带也只能扩展到7％左右，不能满足覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略，四系统的频率覆盖要求。因此不得不采用双天线叠层结构。叠层结构天线由两层辐射贴片和接地板组成，上层辐射单元(贴片)产生的GPS的L₁频段(1.575GHz).GLONASS的E₁频段(1.602GHz),北斗的B₁频段(1.561GHz)。下层辐射单元(贴片)产生GPS的L₂频段(1.227GHz)GLONASS的E₂频段(1.246GHz)、北斗的B₂频段(1.207GHz)。其中下层辐射单元(贴片)同时也充当了上层的接地板。

要实现对称馈电，需要8根馈线。其中4根馈线为下贴片馈电。另外4根馈线为上贴片馈电，为上贴片馈电的4根馈线必须通过下层贴片，这样就不可避免地会对下层贴片造成激励，形成干扰，降低两天线之间的隔离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种具有更大的带宽和更小体积的卫星导航终端天线。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，卫星导航系统终端宽带小型微带天线，包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：

介质基材包括介电常数为ε1的第一介质基材和介电常数为ε2的第二介质基材，16≤ε1≤18，10≤ε2≤12，且ε1-ε2≥4。

贴片和激励探针之间设置有第一介质基材，激励探针包括横向部分和纵向部分；激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。

进一步的，贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘，即缝隙在贴片边缘有一个开口；

所述贴片的耦合缝隙为中心对称正交分布的直线缝隙，探针的横向部分平行于耦合缝隙。

每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙，所述扩展缝隙垂直于直线缝隙，且与直线缝隙相交于扩展缝隙的中点，探针的横向部分平行于直线缝隙。

所述探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面，且横向部分中心对称分布，探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片。

耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点。

所述贴片为正方形贴片，贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙，且直线缝隙设置于贴片的边的中点处。

本发明的有益效果是，体积小，精度高，带宽大，应用范围广，很适合用于通讯导航、手表系统、登山旅游、沙漠探险、深林防火、车辆监控、高铁运输。

附图说明

图1为本发明的天线结构示意图(侧视方向)。

图中，1第一介质基材，2第二介质基材，3激励探针横向部分，4激励探针纵向部分，5贴片。

图2为贴片结构示意图，其中a为实施方式一的贴片示意图，b为实施方式二的贴片示意图。

图3为实施例1的天线的驻波特性仿真结果示意图，由图可以看出天线的驻波≤2.5时，工作频率范围为：1170MHz-1880MHz，带宽约为700MHz左右。相对带宽达到60％。

图4为实施例1的天线的增益仿真结果示意图，由图可以看出，天线的增益大于4dBic。

图5为实施例1的天线的方向图的仿真结果示意图，为了直观的反映辐射特性的立体效果，在方位面上每隔10°切一平面，取样一次。共取样10次切出10个平面。由图可以看出这10个平面重合度很好，反映出天线的三维方向图呈半球形圆对称，副瓣电平在-30dB以下，相位中心稳定，漂移在毫米量级。

图5‐1中给出的频点为1115MHz，

图5‐2中给出的频点为1207MHz，

图5‐3中给出的频点为1246MHz

图5‐4中给出的频点为1268MHz

图5‐5中给出的频点为1500MHz

图5‐6中给出的频点为1561MHz

图5‐7中给出的频点为1575MHz

图5‐8中给出的频点为1602MHz

图5‐9中给出的频点为1630MHz

图6为实施例1的天线圆极化特性的仿真结果示意图，由图所见，在0°方向上圆极化轴比小于1dB。在接近90°的俯仰面内，圆极化轴比在3dB以内。该天线一般称之为低副瓣天线，有利于抗多路径效应。图6中，各图曲线显示了较高的重合度。

图6‐1中给出的频点为1115MHz，

图6‐2中给出的频点为1207MHz，

图6‐3中给出的频点为1246MHz

图6‐4中给出的频点为1268MHz

图6‐5中给出的频点为1500MHz

图6‐6中给出的频点为1561MHz

图6‐7中给出的频点为1575MHz

图6‐8中给出的频点为1602MHz

图6‐9中给出的频点为1630MHz

具体实施方式

如在背景技术部分所提及，现有技术的层叠式设计有诸多不利之处。要想解决叠层问题就必须突破微带天线的频带瓶颈，微型天线是谐振式天线，为了突破这种天线的频带瓶颈，本发明充分考虑了激励。本发明提供了一种容性耦合激励方法，把微带天线的工作带宽扩大到40％以上，实现了约500MHz的工作带宽，从而实现了用一副天线覆盖北斗、GPS、GLONASS、伽利略，四系统的愿望。这种激励方法不仅可以扩频而且又可以将天线的外形尺寸减小30％，从而开启了微带天线的小型化之门。该种天线是背馈的一种变形，它既保留了背馈的结构简单的特点又结合了容性耦合的特点。

卫星导航系统终端用宽带小型微带天线系统是一个有源系统，该系统主要由宽带微带天线、馈电网络、低噪放和天线罩等组成，如图1所示。

实施方式一：线型耦合缝隙

卫星导航系统终端微带天线，包括贴片、介质基材和激励探针，介质基材包括第一介质基材和第二介质基材，第一介质基材介电常数为16，第二介质基材介电常数为10.2，两者之差大于5。

第一介质基材设置于贴片和激励探针之间，贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘；

激励探针包括横向部分和纵向部分；激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合(简称容性耦合)，纵向部分穿过第二介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。贴片的耦合缝隙为中心对称分布的直线缝隙，形成正交结构，探针的横向部分平行于耦合缝隙。

所述探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面，且横向部分中心对称分布，横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片，探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

所述贴片为正方形贴片，贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙。本实施方式具有4个馈电端口，相位分别为0°、90°、180°、270°。

实施方式二：T型耦合缝隙

本实施方式与实施方式一的区别是，本实施例的每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙，所述扩展缝隙垂直于直线缝隙，且与直线缝隙相交于扩展缝隙的中点，探针的横向部分平行于直线缝隙。

本发明的微带天线是谐振式天线，采用容性耦合激励的微带天线的工作原理和普通微带天线一样，当贴片的尺寸等于介质中波长时，形成波辐射，如图3所示。

图3中参数：

L为方贴片的边长

h1为上层介质基材的厚度，即为激励探针弯折部分(横向部分)与贴片之间的耦合距离。

h2为下层介质基材的厚度

W为方形基材的边长

L1为激励探针弯折部分的长度

实施例1：参见图1、图2b。

本实施例各项参数如下：

选用介质基材的介电常数分别为:Er＝16(上层)、Er＝10.2(下层)

L+L1＝0.48λ_gmax

式中 ${\mathrm{\λ}}_{g\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\sqrt{Er}}$

λ_max是最低工作频率的波长

Er是介质基材的介电常数

在高介电常数的情况下，介质基材的厚度约为0.14λ_gmax。天线的贴片可以做成方形、也可以做成圆形，做成方形时，介质基材的边长约为1.3—1.4L。做成圆形时，介质基材的直径为1.4‐1.5L,激励探针弯折部分与方贴片的耦合距离约为0.02λ_gmax。

当给定工作频率范围，和选定介质基材以后，可按上述公式计算出天线的初始设计数据。然后利用HFSS电磁工程软件进行仿真优化。最终确定天线的技术设计参数。本实施例的宽带小型微带天线采用正方形贴片。

卫星导航系统终端天线的最低工作频率为：1200MHz，选用的介质基材为2种，上层贴片采用介电常数为16的介质基材，厚度为h1，下层激励部分选用的介电常数为10.2的基材，厚度为h2。

在这种容性耦合探针激励的情况下，尺寸为：

方贴片的边长L＝23.67mm

激励探针弯折部分L1＝9.4mm

耦合探针弯折部分与贴片之间的耦合距离：h1＝1.38mm

介质基材的总厚度h＝9.66mm

方形基材的边长W＝30.77mm

为了改善天线的低频性能，在辐射器表面的对称方向上开有4条宽度为0.3‐0.4mm的T型缝隙。

为了解决相位中心稳定问题，本发明采用对称性四端口馈电。为了实现良好的圆极化特性，四端口幅度一致，相位分别为0°，90°,180°270°，形成右旋圆极化。

经过HFSS电磁工程软件仿真优化的结果是：

方贴片的边长L＝22mm

激励探针弯折部分L1＝7.5mm

耦合探针弯折部分与贴片之间的耦合距离h1＝1mm

天线的总高度h＝h1+h2＝9mm

h2＝8mm

方形基材的边长W＝30mm

这样宽带微带天线的外形尺寸为：30mmX30mmX10mm。(未计接头和馈电网络尺寸)

馈电网络设计：

为了实现四端口馈电的幅度相等，相位分别为0°，90°，180°，270°，设计了一套以电桥为主的馈电网络，如图1所示。该网络主要由两个90°电桥和一个180°电桥构成。

具体实施方式中的参数为优选的参数，不应理解为对权利范围的限制，对实施方式中的参数数值略作调整也可实现与本发明相近的效果。本发明的贴片优选为正方形，也可采用其他几何形状，例如圆形、六边形甚至不规则形状。

Claims (7)

1.卫星导航系统终端宽带小型微带天线，包括贴片、介质基材和激励探针，其特征在于：

介质基材包括介电常数为ε1的第一介质基材和介电常数为ε2的第二介质基材，16≤ε1≤18，10≤ε2≤12，且ε1-ε2≥4。

贴片和激励探针之间设置有第一介质基材，激励探针包括横向部分和纵向部分；激励探针的横向部分与贴片形成电容性耦合，纵向部分穿过第二介质基材，纵向部分具有外部电路连接端。

2.如权利要求1所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，贴片带有耦合缝隙，耦合缝隙的一端设置于贴片边缘；

所述贴片的耦合缝隙为中心对称正交分布的直线缝隙，探针的横向部分平行于耦合缝隙。

3.如权利要求2所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，每条耦合缝隙都具有一个扩展缝隙，所述扩展缝隙垂直于直线缝隙，且与直线缝隙相交于扩展缝隙的中点，探针的横向部分平行于直线缝隙。

4.如权利要求1、2或3所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，所述探针的横向部分共面设置于一个平行于贴片的平面，且横向部分中心对称分布，探针的纵向部分垂直于横向部分，纵向部分与横向部分的连接点位于横向部分远离对称中心的一端，且各探针的纵向部分彼此平行。

5.如权利要求2所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，横向部分的对称中心与耦合缝隙的对称中心的连线垂直于贴片。

6.如权利要求3所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，耦合缝隙的直线缝隙和扩展缝隙相交于直线缝隙的一个端点。

7.如权利要求1所述的卫星导航系统终端宽带小型微带天线，其特征在于，所述贴片为正方形贴片，贴片的每条边都具有一个垂直于该边的直线缝隙，且直线缝隙设置于贴片的边的中点处。