CN106329099B - 应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，属于无线通信终端的天线技术领域。该天线利用叠成技术，将底层的二级级联功分器和90°移相器级联，为顶层辐射贴片提供较大的圆极化带宽；为进一步改善天线的圆极化性能，在正六边形缝隙加载的顶层辐射贴片上刻蚀两个正交的领结型缝隙，将顶层贴片划分成五个辐射区域，进而产生多模谐振，实现良好的阻抗匹配，并获得足够的圆极化带宽；此外，将馈电网络和辐射天线分别置于接地板的两侧，可有效的将能量集中辐射于上半空间，使所述天线不仅能以右旋圆极化方式辐射，还可对特定频点实现较好地圆极化陷波性能。
Description
技术领域
本发明属于无线通信终端的天线技术领域，涉及一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线。
背景技术
随着时间的推移，我国的北斗卫星天线导航系统已由一代演进为二代，并在北斗一代的基础上，将其工作频段新增为B2(1207.14±10.23MHz)、B3(1268.52±10.23MHz)和B1(1561.098±2.046MHz)频段。为了构建全球卫星导航系统，实现与其他导航系统实现兼容与互操作功能，需将小型化、多功能的带宽天线与滤波器件进行集成设计，获得性能更多、宽带更宽的圆极化滤波天线。目前，研究者普遍关注于具有滤波特性的线极化超宽带天线的研究与设计，而忽视了与之对应的宽带圆极化天线的研究。在实际应用中，圆极化天线可分解为两个相互正交，幅度相等，相位差为90°的线极化波，并在卫星导航系统中具有极为重要的作用，可较好地实现频率复用，极化分集以及极化捷变，故而，圆极化天线较线极化天线而言，具有更多的优势。此外，随着科技的进步，原来的窄带天线将难以满足人们对快速、大容量信息通信的要求，为提高通信质量，降低天线间的互耦效应，考虑用单个宽频带天线去替换原有的多个天线，以减少天线的使用数量，改善设计空间，避免资源浪费。以我国构建的北斗卫星导航系统为例，不仅需要其终端天线具有更宽的工作频段，还需实现与美国的GPS导航系统间的兼容与互操作，以便覆盖相应的卫星导航系统的工作频段。随后，中俄双方首领于2015年5月8日签署了北斗系统(BDS)和格洛纳斯系统(GLONASS)的兼容与互操作联合声明。预计2020年左右，我国将建成覆盖全球的卫星导航系统，故而研究宽带圆极化滤波天线对于我国卫星导航系统的建设具有极为重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，该天线利用叠成技术，将底层的二级级联功分器和90°移相器级联，为顶层辐射贴片提供较大的圆极化带宽；为进一步改善天线的圆极化性能，在正六边形缝隙加载的顶层辐射贴片上刻蚀两个正交的领结型缝隙，将顶层贴片划分成五个辐射区域，进而产生多模谐振，实现良好的阻抗匹配，并获得足够的圆极化带宽；此外，将馈电网络和辐射天线分别置于接地板的两侧，可有效的将能量集中辐射于上半空间，使所述天线不仅能以右旋圆极化方式辐射，还可对特定频点实现较好地圆极化陷波性能。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，该天线包括辐射部分、滤波谐振部分、寄生部分、介质基板、金属接地板和底层馈电网络；
所述辐射部分为类龟形结构，主要包括一个圆形的金属贴片，在距离坐标原点等距离处的正X轴和负Y轴处刻蚀了两等大的圆形孔，四周对称的加载了由圆环和正四边形贴片相互交叠构成的四个微扰单元，以及在金属贴片上刻蚀一个正六边形缝隙和六个T型谐振枝节；
所述滤波谐振部分由两个正交的领结型缝隙构成，领结型缝隙包括原点处的一个圆环，一个一分四的三角形渐变金属结构，以及内侧的四个正四边形缝隙，和外侧的四个正四边形缝隙，内外侧相对应的两个四边形相互交叠；
所述寄生部分位于两个圆形孔的正下方，且两个金属圆形贴片的尺寸大于各自对应的圆形孔，该圆孔尺寸等于同轴线外直径的尺寸，圆形贴片为电容耦合贴片，用于抵消同轴探针的感性阻抗；
所述介质基板分为上下两层，上层位于领结型缝隙加载的金属辐射贴片与金属寄生贴片之间，下层位于金属接地板和馈电网络之间，上下两层介质基板上均有四个切角、四个对称的通孔以及两个正交的馈电通孔；所述金属接地板位于下层介质基板的顶层；
所述馈电网络包括一个二级级联功分器和一个90°谢夫曼移相器。
进一步，所述辐射部分、寄生部分、金属接地板和底层馈电网络的厚度均为0.01mm-0.05mm。
进一步，所述辐射部分的圆形的金属贴片的半径r0为41.5mm-44.5mm，其上刻蚀一个正六边形缝隙，边长c1为24.5mm-26.5mm，缝隙宽度c2为1.8mm-2.2mm；T型谐振枝节距坐标原点的距离a2为29.0mm-30.0mm,其长度a1为11mm-13mm,宽度b1为1.8mm-2.2mm；四周对称加载的微扰单元的圆环内径R2为2.4mm-2.6mm，外径R1为3.8mm-4.2mm，正四边形的边长为圆环外径的两倍。
进一步，所述滤波谐振部分的领结型缝隙由8个等大的正四边形缝隙构成，其边长a3为9.0mm-12.0mm，其缝隙宽度a4为1.0mm-1.6mm，内侧的四个正四边形缝隙和外侧的四个正四边形缝隙交叠，交叠长度为两倍四边形缝隙的宽度；渐变结构的金属圆环的半径r1为1.9mm-2.1mm，其应小于两倍缝隙宽度。
进一步，所述寄生部分的两个圆形金属贴片半径R3为3.4mm-3.6mm，距坐标原点的距离d为16.8mm-17.2mm。
进一步，所述介质基板的下层基板材料为Rogers4350，其相对介电常数为3.66，介质损耗0.004，其长度L0为118mm-122mm，厚度h1为0.80mm-0.85mm，切角边长c3为13.4mm-13.6mm；上层基板材料为FR4，其相对介电常数为4.4，其长度Lp为88mm-92mm，厚度h2为0.8mm-1.2mm，切角边长c4为4.6mm-5mm，上下两层介质基板间隔h0为9.8mm-10.2mm；所述金属接地板位于下层介质基板的顶部，其尺寸大小与下层介质基板一样。
进一步，所述馈电网络的输入端为50Ω的微带馈线，其宽度W0为1.50mm-1.70mm；馈线后级联了两个一分二的等功率分配器，简称为功分器，二者的分别工作于频点为1.2GHz和2GHz时，频比g＝1.67,可得1/4个介质波长的电长度可为19.60mm-32.70mm，由于中心频点为1.6GHz，可得耦合线长度L1和L2为24.00mm-30.00mm,宽度W1和W2为1.00mm-1.60mm；功分器后级联了一个90°移相器，所述移相器的主通路和参考通路间的电长度相差1/4个介质波长,其中心频点为1.6GHz，于是，所述移相器的主通路的长度2*(L4+L3)为72mm-80mm，输出端口2的输出长度L7为5.00mm-8.00mm，参考通路L5为100mm-110mm(输出端口2和输出端口3的馈线宽度与所述的输入端口1的宽度W0保持一致)；所述馈电网络的各级耦合线间的间距s1、s2和s3的值为0.20mm-0.40mm。
本发明的有益效果在于：与现有北斗终端天线相比，本发明应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线具有以下优点：1)具有较大的圆极化带宽。其工作频段可覆盖北斗终端的B2(1207.14±10.23MHz)、B3(1268.52±10.23MHz)和B1(1561.098±2.046MHz)频段，以及GPS系统L1(1575.42±1.023MHz)频段，使得该滤波天线可与其它卫星导航系统实现兼容与互操作；2)具有对特定频段的带通功能。通过将馈电网络和辐射贴片分别置于接地板两侧，并在辐射贴片上加载两个正交的领结型缝隙，使得天线不仅具有良好的圆极化特性，还可产生对特定频段的带通功能。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线的整体结构图；
图2为该天线的侧视图；
图3为该天线辐射部分的结构图；
图4为该天线馈电网络部分的结构图；
图5为仿真得到的该天线的反射系数(S11)随频率变化和轴比(AR)随频率变化的曲线图；
图6为该天线仿真得到的三维辐射方向图和在XOZ平面的辐射方向图，实三角曲线表示左旋圆极化，空心圆曲线表示右旋圆极化；子图(a)、(b)、(c)、(d)分别表示在频点1.2GHz时的三维辐射方向图、在频点在1.6GHz时的三维辐射方向图、在频点1.2GHz时的XOZ平面的辐射方向图和在频点1.6GHz时的YOZ平面的辐射方向图；
附图标记：1金属圆形贴片；2正六边形缝隙；3T型谐振枝节；4领结型缝隙；5微扰单元；6寄生金属圆形贴片；7上层介质基板；8下层介质基板；9馈电网络；10金属柱；11金属接地板。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
参照图1、图2、图3和图4，本发明提供了一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，包括辐射部分、滤波谐振部分、寄生部分、介质基板、接地板和馈电网络部分。在本实施方式中，辐射部分和滤波谐振部分位于上层介质基板的顶部，寄生部分位于上层介质基板的顶部，接地板位于下层介质基板的顶部，馈电网络位于下层介质基板的底部。
所述辐射部分由一个四周对称加载四个微扰单元的金属圆形贴片1、一个正六边形的缝隙2、六个T型谐振枝节3组成，其中微扰单元5由一个圆环和一个正四边形相互交叠组成。在本实施方式中，正六边形缝隙2的中心与圆形金属贴片1重合，六个T型谐振枝节3分别位于正六边形缝隙的六个角上，四个微扰单元5对称分布在金属圆形贴片1的四周，整个辐射部分结构呈现类龟形。
所述滤波谐振部分由两个正交的领结型缝隙4组成，其中包括一个圆环、一个一分四的三角形渐变金属结构、以及内侧和外侧各四个正四边形缝隙。在本实施方式中，圆环位于原点，一分四的三角形渐变金属结构与圆环相连接，内外侧相应的两个正四边形相互交叠。
所述寄生部分由两个寄生金属圆形贴片6组成，位于上层介质基板的底部。在本实施方式中，两个寄生金属圆形贴片6分别位于X轴的正半轴和Y轴的负半轴，且到原点的距离相等。该圆形贴片为电容耦合贴片，可用于抵消同轴探针的感性阻抗。
所述介质基板包括上层介质基板7和下层介质基板8。在本实施方式中，上层介质基板7采用FR4作为介质材料，其位于领结型缝隙4加载的金属圆形贴片1与寄生金属圆形贴片6之间；下层介质基板8采用Rogers4350作为介质材料，其位于金属接地板11和馈电网络9之间；上下两层介质基板上均有四个切角、四个对称的通孔以及两个正交的馈电通孔，通过对介质基板切角可进一步改善天线的圆极化特性。
所述馈电网络部分有一个二级级联功分器和一个90°谢夫曼移相器组成，其中90°谢夫曼移相器包括主通路和参考通路。在本实施方式中，馈电网络的输入端为50Ω的微带馈线，其宽度用W0表示；馈线后级联了两个一分二的等功率分配器，两耦合线的长度分别用L1和L2表示；功分器后级联了一个90°谢夫曼移相器，主通路的长度用2*(L6+L3)表示，参考通路的长度用L5表示，两通路间的电长度相差1/4个介质波长,其中心频点为1.6GHz；整个馈电网络与辐射贴片之间通过两根金属柱连接。
完成上述的初始设计之后，实用高频电磁仿真软件HFSS13.0进行仿真实验。仿真研究表明该滤波天线具有很好的宽带圆极化特性，能够应用于北斗终端系统中。通过软件优化功能得到的各项参数最佳尺寸如表1所示。
表1.各参数最佳尺寸表
在本实施方式中，采用的介质基板表面金属覆铜的厚度为0.017mm。上层介质基板的厚度为1.1mm，采用的材料为FR4，相对介电常数为4.4；下层介质基板的厚度为0.8mm，采用的材料为Rogers4350，相对介电常数为3.66。
根据以上参数，运用HFSS对本发明的天线进行仿真计算，得到天线的反射系数曲线和轴比曲线，如图5所示；天线的辐射方向图，如图6所示。
图5是仿真得到的该天线的反射系数(S11)随频率变化和轴比(AR)随频率变化的曲线图。从图中可以看出，在S11<-10dB时，该天线的阻抗带宽频率范围为1.09GHz-2.01GHz，其相对带宽为57.5％。而3dB轴比带宽(AR<3dB)频率范围为1.16GHz-2.01GHz，其相对带宽为53.1％。覆盖了北斗终端的B2(1207.14±10.23MHz)、B3(1268.52±10.23MHz)和B1(1561.098±2.046MHz)频段，也可兼容其它卫星导航系统的多个工作频段，如GPS的L1(1575.42±1.023MHz)频段、L2(1227.6±1.023MHz)频段、L5(1176.45±1.023MHz)频段，以及GLONASS的L1(1602.5625±4MHz)频段和L2(1246.4375±4MHz)频段。
图6是该天线仿真得到的三维辐射方向图和在XOZ平面的辐射方向图，实三角曲线表示左旋圆极化，空心圆曲线表示右旋圆极化。其中，图(a)表示天线在1.2GHz时的三维辐射方向图，图(b)表示天线在1.6GHz时的三维辐射方向图，图(c)表示天线在1.2GHz时的XOZ平面的辐射方向图，图(d)表示天线在1.6GHz时的YOZ平面的辐射方向图。根据辐射方向图可以看出：天线在沿Z轴的辐射方向上以右旋圆极化方式工作，且随着频率的增加，天线的辐射方向图在Z轴的正上方具有较好的辐射对称性；当天线的工作频点为1.6GHz时，天线最大辐射方向上的增益达到5.78dBi，在XOZ平面的±55°仰角范围内增益大于-5dBi，上半空间的3dB波束宽带为75°，天线的整个辐射方向呈现出好的右旋圆极化辐射性能。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：该天线包括辐射部分、滤波谐振部分、寄生部分、介质基板、金属接地板和底层馈电网络；
所述辐射部分为类龟形结构，包括一个圆形的金属辐射贴片，在距离坐标原点等距离处的正X轴和负Y轴处刻蚀了两等大的圆形孔，金属辐射贴片四周对称的加载了由圆环和正四边形贴片相互交叠构成的四个微扰单元，以及在金属辐射贴片上刻蚀一个正六边形缝隙和六个T型谐振枝节，正六边形缝隙的中心与金属辐射贴片的圆心重合，六个T型谐振枝节分别位于正六边形缝隙的六个角上；
所述滤波谐振部分由两个正交的领结型缝隙构成，所述两个正交的领结型缝隙包括原点处的一个小圆环，一个一分四的三角形渐变金属结构，以及内侧的四个正四边形缝隙，和外侧的四个正四边形缝隙，内外侧相对应的两个四边形相互交叠；所述三角形渐变金属结构由四对相同的且相互对称的八字形结构组成，一对所述的八字形结构是由一个内侧的正四边形的内侧两条边和这两条边的外侧端点与所述小圆环的四分之一圆弧的两端点的连接线组成；所述三角形渐变金属结构的中心与所述小圆环圆心重合；所述领结型缝隙刻蚀在所述金属辐射贴片上；
所述寄生部分包括两个圆形的金属寄生贴片，位于所述辐射部分的两个圆形孔的正下方，且两个金属寄生贴片的尺寸大于各自对应的圆形孔，该圆形孔尺寸等于同轴线外直径的尺寸，所述金属寄生贴片为电容耦合贴片，用于抵消同轴线的感性阻抗；
所述介质基板分为上下两层，上层位于所述滤波谐振部分的两个正交的领结型缝隙加载的金属辐射贴片与金属寄生贴片之间，下层位于金属接地板和馈电网络之间，上下两层介质基板上均有四个切角、四个对称的通孔以及两个正交的馈电通孔；所述金属接地板位于下层介质基板的顶层；
所述馈电网络包括一个二级级联功分器和一个90°谢夫曼移相器。
2.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述辐射部分、寄生部分、金属接地板和底层馈电网络的厚度均为0.01mm-0.05mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述辐射部分的圆形的金属辐射贴片的半径r0为41.5mm-44.5mm，其上刻蚀的一个所述正六边形缝隙，边长c1为24.5mm-26.5mm，缝隙宽度c2为1.8mm-2.2mm；T型谐振枝节的交点距坐标原点的距离a2为29.0mm-30.0mm,其与圆形金属辐射贴片径向垂直部分长度a1为11mm-13mm,宽度b1为1.8mm-2.2mm；四周对称加载的微扰单元的圆环内径R2为2.4mm-2.6mm，外径R1为3.8mm-4.2mm，正四边形的边长为圆环外径的两倍。
4.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述滤波谐振部分的领结型缝隙由8个等大的正四边形缝隙构成，其边长a3为9.0mm-12.0mm，其缝隙宽度a4为1.0mm-1.6mm，内侧的四个正四边形缝隙和外侧的四个正四边形缝隙交叠，交叠长度为两倍内侧的四边形缝隙的宽度；所述三角形渐变金属结构中心的金属圆环的半径r1为1.9mm-2.1mm，其应小于两倍缝隙宽度。
5.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述寄生部分的两个圆形金属寄生贴片半径R3为3.4mm-3.6mm，距坐标原点的距离d为16.8mm-17.2mm。
6.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述介质基板的下层基板材料为Rogers4350，其相对介电常数为3.66，介质损耗0.004，其长度L0为118mm-122mm，厚度h1为0.80mm-0.85mm，切角边长c3为13.4mm-13.6mm；上层基板材料为FR4，其相对介电常数为4.4，其长度Lp为88mm-92mm，厚度h2为0.8mm-1.2mm，切角边长c4为4.6mm-5mm，上下两层介质基板间隔h0为9.8mm-10.2mm；所述金属接地板位于下层介质基板的顶部，其尺寸大小与下层介质基板一样。
7.根据权利要求1所述的一种应用于北斗终端的宽带圆极化滤波天线，其特征在于：所述馈电网络的输入端为50Ω的微带馈线，其宽度W0为1.50mm-1.70mm；馈线后级联了两个一分二的等功率分配器，简称为功分器，其中一个功分器由两个长度L1，宽度W1的一级耦合线组成，另一个功分器由两个长度L2，宽度W2的二级耦合线组成；二者的分别工作于频点为1.2GHz和2GHz时，频比g＝1.67,可得1/4个介质波长的电长度可为19.60mm-32.70mm，由于中心频点为1.6GHz，得出一级耦合线长度L1和二级耦合线长度L2为24.00mm-30.00mm,一级耦合线宽度W1和二级耦合线宽度W2为1.00mm-1.60mm；
功分器后级联了一个90°移相器，所述移相器后级联了两个输出端口；所述移相器包括主通路和参考通路，所述主通路与两个输出端口中的一个输出端口级联，所述参考通路与两个输出端口中的另一个输出端口级联；所述主通路由两段长度为L4的Y轴主通路和两段长度为L3的负X轴耦合线组成，所述负X轴耦合线与Y轴主通路垂直；所述主通路和参考通路间的电长度相差1/4个介质波长,其中心频点为1.6GHz，于是，所述移相器的主通路的长度2*(L4+L3)为72mm-80mm，两个输出端口中的一个输出端口的输出长度L7为5.00mm-8.00mm，参考通路L5为100mm-110mm；所述馈电网络的一级耦合线、二级耦合线和负X轴耦合线间的间距s1、s2和s3的值为0.20mm-0.40mm。
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