CN106025515A - 一种双层耦合双频圆极化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种双层耦合双频微带天线，只在下层金属辐射板上设置馈电点馈电，采用空间耦合辐射方式，使微带天线可以同时工作于两个频点，不使用合路器，避免了对信号的损失。包括下层金属辐射板、下层介质基板、上层金属辐射板、上层介质基板以及金属反射底板，下层介质基板设置于金属反射底板上面，下层金属辐射板设置于下层介质基板上面，上层介质基板设置于下层金属辐射板上面，上层金属辐射板设置于上层介质基板上面；在下层金属辐射板上设置同轴馈电点，用于馈入电磁波信号；下层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较低频点的圆极化波，上层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较高频点的圆极化波。

Description

一种双层耦合双频圆极化微带天线

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，特别是涉及一种卫星导航双层耦合双频圆极化微带天线。适用于包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统在内的各种导航卫星系统。

背景技术

单个卫星导航系统虽然能够独立工作，但是其定位精度低、缺乏完好性、可靠性和连续性，由于不同卫星导航系统的卫星分布在不同的轨道平面上，利用多个卫星导航系统的卫星同时工作可以形成互补形式，能够增加可见卫星的数量，提高定位的精度和可靠性。特别是在楼群密集城市、山区等信号易受到严重遮挡的情况下优势更加明显。卫星导航接收机已经发展为多模多频兼容模式，并且市场上已经有了多模多频导航芯片，因此有必要设计能够满足多模多频卫星导航接收机应用的多模多频微带天线。现有技术中常用的双频微带天线，采用将两个不同频点的天线物理叠层的方式，需要在每层上分别设置馈电点分别馈电，然后再使用合路器合成一路。合路器是无源器件，对信号有一定的衰减，进而影响了接收机的信号强度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提出一种双层耦合双频圆极化微带天线，只在下层金属辐射板上设置馈电点馈电，采用空间耦合辐射方式，使微带天线可以同时工作于两个频点，不使用合路器，避免了对信号的衰减。

本发明的技术方案是：

1.一种双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，包括金属反射底板、下层介质基板、下层金属辐射板、上层介质基板、上层金属辐射板以及馈电点；所述下层介质基板设置于金属反射底板上面，下层金属辐射板设置于下层介质基板上面，上层介质基板设置于下层金属辐射板上面，上层金属辐射板设置于上层介质基板上面；在下层金属辐射板上设置同轴馈电点，用于馈入电磁波信号；所述下层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较低频点的圆极化波，所述上层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较高频点的圆极化波。

2.所述金属反射底板设置于下层介质基板的下表面，或距离下层介质基板的下表面有一定的距离；所述下层金属辐射板设置于下层介质基板的上表面；所述上层介质基板设置于下层金属辐射板的上表面；所述上层金属辐射板设置于上层介质基板的上表面。

3.所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状为矩形。

4.所述下层金属辐射板上设置一个馈电点，所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状为切除一对对角的矩形，所述馈电点设置在下层金属辐射板的水平横轴或竖直纵轴上，用于实现圆极化；所述切角为三角形。

5.所述下层金属辐射板上设置两个馈电点，用于实现圆极化；第一馈电点连接功率分配器的一个输出端，功率分配器的另一个输出端经过90度移相器连接第二馈电点。

6.所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状均为正方形，所述下层金属辐射板的边长约为其中，λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数；所述上层金属辐射板的边长约为其中，λ’为天线较高频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε’为上层介质基板的介电常数。

7_.所述馈电点到下层金属辐射板中心的距离在的基础上进行微调，微调范围一般不超过20％；λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数。

8.所述下层介质基板和上层介质基板形状为矩形，上层介质基板的面积大于上层金属辐射板的面积，下层介质基板的面积大于下层金属辐射板的面积。

9.所述下层介质基板厚度范围选择在0.01λ～0.15λ之间，所述上层介质基板厚度范围选择在0.005λ～0.01λ之间。

10.所述微带天线下层金属辐射板和金属反射底板之间也可以使用空气充当介质基板。

本发明的技术效果：

本发明提出的一种双层耦合双频圆极化微带天线，具有以下特点：

1.本发明的双层耦合双频圆极化微带天线，只在下层金属辐射板上设置馈电点馈电，采用空间耦合辐射方式，使微带天线可以同时工作于两个频点，不使用合路器，避免了对信号的损失。包括金属反射底板、下层介质基板、下层金属辐射板、上层介质基板、上层金属辐射板以及馈电点；在金属反射底板上依次设置下层介质基板、下层金属辐射板、上层介质基板、上层金属辐射板；馈电点位于下层金属辐射板上，用于馈入电磁波信号；通过下层金属辐射板直接辐射出较低频点圆极化波，并且通过空间耦合的方式辐射出较高频点圆极化波至上层金属辐射板。

2.本发明的双层耦合双频圆极化微带天线尤其适用于接收北斗双频点的电磁波信号，其下层金属辐射板和上层金属辐射板的形状采用正方形，下层金属辐射板的边长约为其中，λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数；上层金属辐射板的边长约为其中，λ’为天线较高频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε’为上层介质基板的介电常数，其中下层金属辐射板和下层介质基板组成的微带天线用于接收较低频点的电磁波信号，如北斗B3(频点为1268.52MHz，带宽为20.46MHz)，上层金属辐射板和上层介质基板组成的微带天线用于接收较高频点的电磁波信号，如北斗B1(频点为1561.098MHz，带宽为4.092MHz)，完全满足北斗双频卫星导航接收机对天线带宽的要求。

附图说明

图1为本发明的双层耦合双频微带天线结构示意图。

图2为本发明的双层耦合双频微带天线的单馈电点圆极化示意图。

图3为本发明的双层耦合双频微带天线的双馈电点圆极化示意图。

图4为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的驻波图。

图5为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的B1频点方向图。

图6为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的B3频点方向图。

附图标记列示如下：1-金属反射底板，2-馈电点，3-下层介质基板，4-下层金属辐射板，5-上层介质基板，6-上层金属辐射板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的双层耦合双频微带天线结构示意图。一种双层耦合双频微带天线，包括金属反射板1、馈电点2、下层介质基板3、下层金属辐射板4、上层介质基板5和上层金属辐射板6；下层介质基板3设置于金属反射底板1上面，下层金属辐射板4设置于下层介质基板3上面，上层介质基板5设置于下层金属辐射板4上面，上层金属辐射板6设置于上层介质基板5上面，在下层金属辐射板4上设置同轴馈电点2，用于馈入电磁波信号；下层金属辐射板4用于通过馈电点2辐射出较低频点的圆极化波，上层金属辐射板6用于通过馈电点2辐射出较高频点的圆极化波。其中，金属反射底板1可以设置于下层介质基板3的下表面，或距离下层介质基板3的下表面有一定的距离，下层金属辐射板4可以设置于下层介质基板3的上表面，上层介质基板5设置于下层金属辐射板4的上表面，上层金属辐射板6设置于上层介质基板5的上表面。

本发明实施例的双层耦合双频微带天线的上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状为矩形。圆极化方式可以通过在下层金属辐射板4设置一个馈电点和将矩形金属辐射板切除一对对角实现，如图2所示。所述馈电点2设置在下层金属辐射板4的水平横轴X轴或竖直纵轴Y轴上，上层金属辐射板和下层金属辐射板均为切除一对对角的矩形，切角为三角形。当单馈电点位置在Y轴上，切角在1,3象限时，天线为右旋圆极化天线；切角在2,4象限时，天线为左旋圆极化天线。当单馈电点位置在X轴上，切角在1,3象限时，天线为左旋圆极化天线；切角在2,4象限时，天线为右旋圆极化天线。

另外，本发明的双层耦合双频微带天线的圆极化方式也可通过在下层金属辐射板上设置双馈电点加功分相移网络实现，如图3所示。将两个馈电点分别设置于下层金属辐射板4的水平横轴X轴和竖直纵轴Y轴上，并且到下层金属辐射板中心的距离相等，第一馈电点连接功率分配器的一个输出端，功率分配器的另一个输出端经过90度移相器连接第二馈电点。采用双馈电点添加功分相移网络时，通过构造两个方向正交、幅度相等、相位差为90°的两个电场分量，当电场矢量沿波的来向看由90°指向0°按左手螺旋旋转，则为左旋圆极化，当电场矢量沿波的来向看由90°指向0°按右手旋转，则为右旋圆极化。

本发明实施例中，以北斗B1(频点为1561.098MHz，带宽为4.092MHz)和B3(频点为1268.52MHz，带宽为20.46MHz)双频点接收要求为例，将下层金属辐射板4和上层金属辐射板6的形状设置为正方形，下层金属辐射板4的边长约为其中，λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数；上层金属辐射板6的边长约为其中，λ’为天线较高频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε’为上层介质基板的介电常数。馈电点到下层金属辐射板中心的距离在的基础上进行微调，微调范围一般不超过20％；λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数。

另外，下层介质基板3和上层介质基板5也可以选择相同介电常数的材料或不同介电常数的材料，以调节下层金属辐射板4和上层金属辐射板6的尺寸和辐射频率；其厚度也影响天线的辐射效率和工作带宽，本实施例下层介质基板3的厚度范围选择在0.01λ～0.15λ之间，上层介质基板5厚度范围选择在0.005λ～0.01λ之间，以提高天线的辐射效率和工作带宽；下层介质基板3和上层介质基板5形状为矩形，上层介质基板5的面积大于上层金属辐射板6的面积，下层介质基板3的面积大于下层金属辐射板4的面积。微带天线下层金属辐射板4和金属反射板1之间也可使用空气充当介质板，不使用介质基板。

图4为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的驻波图。纵坐标代表驻波比，横坐标是频率，函数曲线表示各个频率点上天线的驻波比。驻波比理想值等于1，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗；驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

图5为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的B1频点方向图，图6为本发明实施例的双层耦合双频微带天线的B3频点方向图。天线方向图是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形，半径坐标(-35～15)表示天线增益，用dB表示，角度坐标表示天线辐射或接收电磁波的角度，函数曲线表示天线向各个方向辐射或接收电磁波能力的强弱，用dB表示。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (10)

1.一种双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，包括金属反射底板、下层介质基板、下层金属辐射板、上层介质基板、上层金属辐射板以及馈电点；所述下层介质基板设置于金属反射底板上面，下层金属辐射板设置于下层介质基板上面，上层介质基板设置于下层金属辐射板上面，上层金属辐射板设置于上层介质基板上面；在下层金属辐射板上设置同轴馈电点，用于馈入电磁波信号；所述下层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较低频点的圆极化波，所述上层金属辐射板用于通过所述馈电点辐射出较高频点的圆极化波。

2.根据权利要求1所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述金属反射底板设置于下层介质基板的下表面，或距离下层介质基板的下表面有一定的距离；所述下层金属辐射板设置于下层介质基板的上表面；所述上层介质基板设置于下层金属辐射板的上表面；所述上层金属辐射板设置于上层介质基板的上表面。

3.根据权利要求2所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状为矩形。

4.根据权利要求3所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述下层金属辐射板上设置一个馈电点，所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状为切除一对对角的矩形，所述馈电点设置在下层金属辐射板的水平横轴或竖直纵轴上，用于实现圆极化；所述切角为三角形。

5.根据权利要求3所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述下层金属辐射板上设置两个馈电点，用于实现圆极化；第一馈电点连接功率分配器的一个输出端，功率分配器的另一个输出端经过90度移相器连接第二馈电点。

6.根据权利要求4或5所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述上层金属辐射板和下层金属辐射板的形状均为正方形，所述下层金属辐射板的边长约为其中，λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数；所述上层金属辐射板的边长约为其中，λ’为天线较高频点工作中心频点自由空间中的一个波长，ε’为上层介质基板的介电常数。

7.根据权利要求6所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电点到下层金属辐射板中心的距离在的基础上进行微调，微调范围一般不超过20％；λ为天线较低频点工作中心频点在自由空间中的一个波长，ε为下层介质基板的介电常数。

8.根据权利要求1所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述下层介质基板和上层介质基板形状为矩形，上层介质基板的面积大于上层金属辐射板的面积，下层介质基板的面积大于下层金属辐射板的面积。

9.根据权利要求1所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述下层介质基板厚度范围选择在0.01λ～0.15λ之间，所述上层介质基板厚度范围选择在0.005λ～0.01λ之间。

10.根据权利要求1所述的双层耦合双频圆极化微带天线，其特征在于，所述微带天线下层金属辐射板和金属反射底板之间也可以使用空气充当介质基板。