CN105958192A - 一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，包括Peano分形电磁带隙结构和双S型探针耦合馈电双频导航天线。Peano分形电磁带隙结构由基于二阶Peano分形曲线的电磁带隙结构单元周期性排布组合构成，电磁带隙结构单元包含四个二阶Peano分形曲线，相邻Peano分形曲线顺时针相差90度，由中间打有圆孔的方形金属片连接，每一个分形结构伸出一段引线，同时电磁带隙结构单元四周添加边框。通过在电磁带隙结构单元之间添加变容二极管控制通断实现电磁表面的可重构来微调电磁带隙结构的谐振频率。天线单元由双层介质基板和覆在基板上的辐射贴片构成，天线馈电为双S型探针耦合馈电。本发明实现了小型化，改善了天线的辐射性能，有效地提高了天线的前后比。

Description

一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线

技术领域

本发明涉及一种在微带电路和天线领域应用的小型化电磁带隙结构，特别是涉及一种采用Peano分形曲线的电磁带隙结构和一种双S型探针耦合馈电双频导航天线。

背景技术

随着导航系统的快速发展，设计宽波束、低仰角、抗多径特性的平面天线已成为目前研究的热点。微带天线因其低轮廓、体积小、易于集成及易于共形等令人瞩目的特点在导航系统天线设计中得到了广泛应用。

由于周围环境的反射所造成的多径信号，会影响接收机的性能。为了改善天线的抗多径性能，扼流圈结构被广泛应用，但是扼流圈相对比较大且重。随着一些新的微波技术的到来，例如电磁带隙结构，设计结构紧凑且轻的结构变得可能。电磁带隙结构的表面波带隙特性可以抑制天线中的表面波，提高天线的效率或者改善天线的前后比。目前越来越多的学者将电磁带隙结构应用到天线的设计中，建立起天线性能的改善与电磁带隙结构特性的对应关系。

根据检索发现，针对电磁带隙结构用于改善天线辐射特性的设计已开展了相关的研究，已经提出的电磁带隙结构涵盖多种形状。其中最常用的结构即蘑菇型电磁带隙结构，2008年，Rens Baggen等人将蘑菇型电磁带隙结构应用到天线中，抑制了表面波的传播，改善了天线的辐射特性；2013年，陈壁坚等人仿真研究蘑菇型形式的电磁带隙结构，通过适当调整电磁带隙结构结构尺寸，使得在整个表面波带隙内贴片天线前后比都有较大的改善，同时保证了表面波带隙、传输特性曲线阻带和贴片天线前后比改善频段的一致性。但是，蘑菇型电磁带隙结构尺寸较大。本发明采用二阶Peano分形曲线，使得电磁带隙结构单元尺寸大幅度减小，相对传统电磁带隙结构，设计的自由度更大，应用更加灵活，小型化程度也更高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种采用Peano分形的电磁带隙结构使得双频导航天线的前后比提高，改善天线辐射性能。

本发明采用的技术方案为：一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，包括Peano分形电磁带隙结构和双S型探针耦合馈电双频导航天线，其中：

所述的Peano分形电磁带隙结构包括：金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔和隔离环，电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板。

所述的双S型探针耦合馈电双频导航天线包括：双层辐射贴片记为第一辐射贴片和第二辐射贴片、双层介质基板记为第一介质基板和第二介质基板、金属地板、金属化过孔。第一介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第一辐射贴片，第二表面为第二辐射贴片。第二介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第二辐射贴片，第二表面为金属地板。

其中，Peano分形电磁带隙结构介质基板的第一表面由基于二阶Peano分形曲线的电磁带隙结构单元周期性排布构成，单元间距相同。

其中，每个电磁带隙结构单元包含四个二阶Peano分形曲线，由中间打有圆孔的方形金属片连接，相邻Peano分形曲线顺时针旋转90度排布，同时每一个分形曲线伸出一段同等宽度并向外旋转45°的引线，由方形金属片中间向外延伸同等长度及宽度的金属边框，边框的终点处分别向上向下或向左向右延伸同等长度及宽度的金属边框包围在四个二阶Peano分形曲线的四周。

其中，所述的电磁带隙结构介质基板第二表面的金属板上带有两种不同的过孔：金属化过孔和隔离环，隔离环作为偏置电压的正极，与其相邻的单元的金属化过孔接地作为偏置电压的负极。

其中，双频导航天线采用双层贴片来实现双频特性，第一辐射贴片和第二辐射贴片均为为正方形，天线采用由两个半圆组合成的S型探针耦合馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与金属贴片焊接在第一辐射贴片和第二辐射贴片的中间位置，同轴线外导体与第二介质基板第二表面的金属地板相焊接，天线通过两个馈电点正交激励实现圆极化，双频导航天线单元位于Peano分形电磁带隙结构的中心。

本发明的原理在于：

一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，包括：Peano分形电磁带隙结构和双频导航天线，其结构实现如下：

所述的Peano分形电磁带隙结构包括：金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔和隔离环，电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板。其中，Peano分形电磁带隙结构介质基板的第一表面由基于二阶Peano分形曲线的电磁带隙结构单元周期性排布构成，单元间距相同。每个电磁带隙结构单元包含四个二阶Peano分形曲线，由中间打有圆孔的方形金属片连接，相邻Peano分形曲线顺时针旋转90度排布，同时每一个分形曲线伸出一段同等宽度并向外旋转45°的引线，由方形金属片中间向外延伸同等长度及宽度的金属边框，边框的终点处分别向上向下或向左向右延伸同等长度及宽度的金属边框包围在四个二阶Peano分形曲线的四周。电磁带隙结构介质基板第二表面的金属板上带有两种不同的过孔：金属化过孔和隔离环，隔离环作为偏置电压的正极，与其相邻的单元的金属化过孔接地作为偏置电压的负极。

所述的双频导航天线包括：双层辐射贴片记为第一辐射贴片和第二辐射贴片、双层介质基板记为第一介质基板和第二介质基板、金属地板、金属化过孔。第一介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第一辐射贴片，第二表面为第二辐射贴片。第二介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第二辐射贴片，第二表面为金属地板。双频导航天线采用双层贴片来实现双频特性，第一辐射贴片和第二辐射贴片均为为正方形，天线采用由两个半圆组合成的S型探针耦合馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与金属贴片焊接在第一辐射贴片和第二辐射贴片的中间位置，同轴线外导体与第二介质基板第二表面的金属地板相焊接，天线通过两个馈电点正交激励实现圆极化，双频导航天线单元位于Peano分形电磁带隙结构的中心。

本发明的一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线的技术方案，具有以下有益效果：

(1)、本发明利用二阶Peano分形曲线组成电磁带隙结构，增大等效电感，有利于实现电磁带隙结构的小型化和宽带化，拓展了电磁带隙结构的应用范围。

(2)、本发明将双频导航天线与Peano分形电磁带隙结构相结合，能够有效的提高天线的前后比，改善天线的辐射特性。

(3)、本发明是一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，可供优化的设计参数多，设计自由度大。

附图说明

图1A为本发明实施例的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线正面俯视图；

图1B为本发明实施例的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线侧视图；

图1C为本发明实施例的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线背面俯视图；

图2为本发明实例的Peano分形电磁带隙结构的单元正面俯视图；

图3A为本发明实例的双S型探针耦合馈电双频导航天线单元的正面俯视图；

图3B为本发明实例的双S型探针耦合馈电双频导航天线单元的测视图；

图4A为本发明实例的Peano分形电磁带隙结构在L1频段的插损结果图；

图4B为本发明实例的Peano分形电磁带隙结构在B3频段的插损结果图；

图5A为本发明实例的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线与带大地板的双频导航天线在L1频段phi＝0°仿真结果比较；

图5B为本发明实例的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线与带大地板的双频导航天线在B3频段phi＝0°仿真结果比较。

图中附图标记的含义为：

100：天线结构

101：金属贴片

102：电磁带隙结构单元

103：电磁带隙结构介质基板

104：电磁带隙结构第一表面

105：电磁带隙结构第二表面

106：金属化过孔

107：隔离环

108：金属地板

201：电磁带隙结构单元

202：二阶Peano分形曲线

203：圆孔

204：方形贴片

205：引线

206：金属边框

301：天线第一辐射贴片

302：天线第二辐射贴片

303：馈电金属贴片

304：馈电金属贴片

305：金属地板

306：天线第一介质基板

307：天线第二介质基板

308：天线第一介质基板的第一表面

309：天线第一介质基板的第二表面/天线第二介质基板的第一表面

310：天线第二介质基板的第二表面

L1:电磁带隙结构介质基板长度

L2：相邻EBG单元中心间距

L3：电磁带隙结构单元长度

L4：方形贴片边长

L5：引线长度

L6:内部金属边框长度

L7：外部金属边框长度

L8：金属地板长度

L9：天线介质基板长度

L10：天线第一辐射贴片长度

L11：天线第二辐射贴片长度

L12：馈电金属贴片长度

W1:电磁带隙结构单元线宽

W2：馈电金属贴片宽度

H1：电磁带隙结构介质基板厚度

H2：天线第一介质基板厚度

H3：天线第二介质基板厚度

H4：馈电金属贴片与天线第二辐射贴片的距离

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1A至图1C为本发明较佳实施例的整体示意图，图2为本发明实例的Peano分形电磁带隙结构的单元示意图，图3A至图3B为本发明实例的双S型探针耦合馈电双频导航天线的整体示意图。

如图1A至图1C所示，Peano分形电磁带隙结构包括电磁带隙结构金属贴片101、介质基板103、金属化过孔106、隔离环107和金属地板108。电磁带隙结构介质基板103具有相互平行的第一表面104和第二表面105，其中第二表面105为金属接地板108。金属贴片101位于第一表面104，由Peano分形电磁带隙结构单元102周期排列组合构成。金属化过孔306贯穿电磁带隙结构介质基板103。

如图1A至图1C以及图2所示，相邻电磁带隙结构单元中心间距202相等，Peano分形电磁带隙结构单元201由二阶分形曲线202顺时针依次旋转90°、180°、270°组成，四个二阶Peano分形由中间打有圆孔203的方形金属片204组成，同时每一个分形曲线伸出一段同等宽度并向外旋转45°的引线205，另外，方形金属片中间向外延伸同等长度及宽度的金属边框，边框的终点处分别向上下(或左右)延伸同等长度及宽度的金属边框206包围在四个二阶Peano分形曲线的四周。

如图3A至图3B所示，双S型探针耦合馈电双频导航天线包含：第一辐射贴片301、第二辐射贴片302、馈电金属贴片303和304、金属地板305、第一介质基板306和第二介质基板307组成。第一介质基板306具有平行的第一表面308和第二表面309，第一表面308为第一辐射贴片301，第二表面309为第二辐射贴片302。第二介质基板307同样具有平行的第一表面309和第二表面310，第一表面309为第二辐射贴片302，第二表面310为金属地板305。

如图1A至图1C、图2所示：Peano分形电磁带隙结构采用双面覆铜的印制电路板材，通过PCB制版技术加工而成。具体较佳实施例，电磁带隙结构介质基板103边长L1为142.5mm，厚度H1为2.5mm，介电常数为2.8，金属贴片的材质为铜。电磁带隙结构金属地板108的材质为铜，长和宽为142.5mm。金属化过孔106的半径为0.6mm，隔离环107的半径为1.1mm。电磁带隙结构单元102单元长度L3为28.5mm，相邻单元中心间距L2为29mm。天线单元100位于整个Peano分形电磁带隙结构的中心。

如图2所示，电磁带隙结构单元201单元长度L3为28.5mm，线宽W1为0.5mm，连接二阶Peano分形曲线的方形贴片204的边长L4的长度为2.5mm，中间减去的圆孔203的半径R1为0.6mm，引线205的长度为1.5mm，内部金属边框的长度L6为11.78mm，外部金属边框的长度L7为23.06mm。

如图3A至图3B所示，双S型探针耦合馈电双频导航天线由第一辐射贴片301、第二辐射贴片302、馈电金属贴片303和304、金属地板305、第一介质基板306和第二介质基板307组成。第一辐射贴片301的长度L10为22.8mm，第二辐射贴片302的长度L11为18mm，馈电金属贴片303和304的长度L12为6.28mm，宽度W2为同轴内导体的直径0.8mm，金属地板305的长度L8为142.8mm。第一介质基板306的长度L9为35mm，厚度H2为5mm，介电常数为16，第二介质基板306的长度L9为35mm，厚度H3为2.5mm，介电常数为28，馈电金属贴片303和304与天线第二辐射贴片302的距离H4为2.5mm。

图4A至4B为Peano分形电磁带隙结构插损结果图。Peano分形电磁带隙结构具有双频特性，分别在B3和L1频段附近谐振，B3频段的相对带宽为4％(1.22-1.27GHz)，L1频段的相对带宽为27％(1.32-1.74GHz)。

图5A为采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线与带大地板的双频导航天线在L1频段phi＝0°仿真结果比较。在θ＝0°时，带有大地板结构的天线单元的主极化辐射强度为7.0dB，在θ＝180°时，交叉极化辐射强度为-11.0dB，带有大地板结构的天线单元前后比为18.0dB；在θ＝0°时，带有Peano分形电磁带隙结构的天线单元的主极化辐射强度为7.2dB，在θ＝180°时，交叉极化辐射强度为-13.1dB，带有Peano分形电磁带隙结构的天线单元的前后比为20.3dB。可以看出，添加EBG结构后的天线的前后比提高了2.3dB。

图5B为采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线与带大地板的双频导航天线在B3频段phi＝0°仿真结果比较。在θ＝0°时，带有大地板结构的天线单元的主极化辐射强度为6.2dB，在θ＝180°时，交叉极化辐射强度为-6.5dB，带有大地板结构的天线单元的前后比为12.7dB；在θ＝0°时，带有Peano分形电磁带隙结构的天线单元的主极化辐射强度为6.3dB，在θ＝180°时，交叉极化辐射强度为-8.2dB，带有Peano分形电磁带隙结构的天线单元的前后比为14.5dB。可以看出，添加EBG结构后的天线的前后比提高了1.8dB，因此EBG结构对天线的辐射特性具有一定的改善作用。

由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：将Peano分形电磁带隙结构与天线结合应用提高了天线的前后比，改善了天线的辐射性能。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，其特征在于：包括Peano分形电磁带隙结构和双S型探针耦合馈电双频导航天线，其中：

所述的Peano分形电磁带隙结构包括：金属贴片、电磁带隙结构介质基板、金属地板、金属化过孔和隔离环，电磁带隙结构介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为周期性排列的金属贴片，第二表面为金属地板；

所述的双S型探针耦合馈电双频导航天线包括：双层辐射贴片记为第一辐射贴片和第二辐射贴片、双层介质基板记为第一介质基板和第二介质基板、金属地板和金属化过孔，第一介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第一辐射贴片，第二表面为第二辐射贴片，第二介质基板具有平行的第一表面和第二表面，第一表面为第二辐射贴片，第二表面为金属地板。

2.根据权利要求1所述的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，其特征在于：Peano分形电磁带隙结构介质基板的第一表面由基于二阶Peano分形曲线的电磁带隙结构单元周期性排布构成，单元间距相同。

3.根据权利要求2所述的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，其特征在于：每个电磁带隙结构单元包含四个二阶Peano分形曲线，由中间打有圆孔的方形金属片连接，相邻Peano分形曲线顺时针旋转90度排布，同时每一个分形曲线伸出一段同等宽度并向外旋转45°的引线，由方形金属片中间向外延伸同等长度及宽度的金属边框，边框的终点处分别向上向下或向左向右延伸同等长度及宽度的金属边框包围在四个二阶Peano分形曲线的四周。

4.根据权利要求1所述的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，其特征在于：所述的电磁带隙结构介质基板第二表面的金属板上带有两种不同的过孔：金属化过孔和隔离环，隔离环作为偏置电压的正极，与其相邻的单元的金属化过孔接地作为偏置电压的负极。

5.根据权利要求1所述的采用Peano分形电磁带隙结构的双频抗多径导航天线，其特征在于：采用双层贴片来实现双频特性，第一辐射贴片和第二辐射贴片均为为正方形，天线采用由两个半圆组合成的S型探针耦合馈电，同轴线内导体通过金属化过孔与S型金属贴片焊接在第一辐射贴片和第二辐射贴片的中间位置，同轴线外导体与第二介质基板第二表面的金属地板相焊接，天线通过两个馈电点正交激励实现圆极化，双频导航天线单元位于Peano分形电磁带隙结构的中心。