CN106654549A - 一种小型化三频双圆极化天线 - Google Patents

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CN106654549A CN201610942457.3A CN201610942457A CN106654549A CN 106654549 A CN106654549 A CN 106654549A CN 201610942457 A CN201610942457 A CN 201610942457A CN 106654549 A CN106654549 A CN 106654549A
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Abstract

本发明属于通讯及导航技术领域，具体涉及一种小型化三频双圆极化天线。本天线在上层微带贴片天线、中层微带贴片天线、下层微带天线以及底层馈电网络的铅垂中心线处同轴的设置有固定通孔及紧固螺栓；三组第一短路金属化过孔与第一馈电孔的轴线均处于以固定通孔轴线为轴心的同一圆柱面上且周向均布；中层微带贴片处布置第二馈电点，三组第二短路金属化过孔与第二馈电孔的轴线均处于以固定通孔轴线为轴心的同一圆柱面上且周向均布；第一短路金属化过孔的孔径等于第一介质套外径；第二短路金属化过孔孔径等于第二介质套外径。本发明可在保证良好的阻抗带宽和轴比带宽以及高增益性能的同时，亦可确保天线体积的小型化和轻型化需求。

Description

一种小型化三频双圆极化天线
技术领域
本发明属于通讯及导航技术领域，具体涉及一种小型化三频双圆极化天线。
背景技术
目前，可多频段工作的天线被广泛使用于如导航系统接收机、通信电台的收发共用天线、跳频工作的雷达和通信设备以及某些频率捷变和极化捷变的天线中。圆极化天线更是被广泛应用于卫星导航系统接收机等领域中。随着卫星导航技术的迅猛发展和广泛应用，人们迫切希望相应的天线具备宽波束、高增益、圆极化、多频点工作、小型化、轻型化等一系列优点。现今，多频圆极化天线由于主要采用多片法制作，也即利用谐振频率不同的多个贴片叠放在同一基板上，通常将较大贴片放于下层而较小贴片叠于上层；同时，为避免连接各层贴片的馈电探针产生彼此工作干涉状况，在每个供馈电探针插入的馈电孔周围都需环绕密布一圈细小的金属化过孔，从而将该圈金属化过孔内圈处贴片处于隔离状态下，进而杜绝各馈电探针之间的耦合影响。然而，实际制作时人们发现，由于每层带有馈电探针的贴片都需要在馈电孔外相应布置一圈金属化过孔，这使得不仅需要在当前层贴片处的馈电孔外围预留出供金属化过孔穿设的区域，同时最底层的贴片也必须具备足够的区域用于容纳由上层乃至上上层贴片处层叠贯穿而来的密密麻麻的金属化过孔，这显然极其不利于目前天线体积的小型化需求。
发明内容
本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而可靠的可应用于北斗手持设备中的小型化三频双圆极化天线，其可在保证良好的阻抗带宽和轴比带宽以及高增益性能的同时，亦可确保天线体积的小型化和轻型化需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：本天线包括由上而下且依次片状层叠布置的上层微带贴片、上层介质基板、中层微带贴片、中层介质基板、下层微带贴片、下层介质基板以及底层馈电网络；其中，上层微带贴片与上层介质基板构成工作于S频点的上层微带贴片天线，中层微带贴片与中层介质基板构成工作于L频点的中层微带贴片天线，下层微带贴片与下层介质基板构成工作于B3频点的下层微带贴片天线；在上层微带贴片天线、中层微带贴片天线、下层微带天线以及底层馈电网络的铅垂中心线处同轴的设置有固定通孔，紧固螺栓穿过上述固定通孔形成螺栓紧固配合；
上层微带贴片处布置第一馈电点，由第一馈电点处垂直上层微带贴片所在平面而依次贯穿上层介质基板、中层微带贴片、中层介质基板、下层微带贴片、下层介质基板设置有第一馈电孔，第一馈电孔为金属化过孔，第一馈电探针同轴布置于第一馈电孔内，第一馈电探针的两端分别连接第一馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；本天线还包括贯穿中层微带贴片天线和下层微带贴片天线的第一短路金属化过孔，第一短路金属化过孔为三组，第一短路金属化过孔与第一馈电孔的轴线均处于以固定通孔轴线为轴心的同一圆柱面上且第一短路金属化过孔与第一馈电孔的轴线沿上述圆柱面周向均布；
中层微带贴片处布置第二馈电点，由第二馈电点处垂直上层微带贴片所在平面而依次贯穿下层微带贴片、下层介质基板设置有第二馈电孔，第二馈电孔为金属化过孔，第二馈电探针同轴布置于第二馈电孔内，第二馈电探针的两端分别连接第二馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；本天线还包括贯穿下层微带贴片天线的第二短路金属化过孔，第二短路金属化过孔为三组，第二短路金属化过孔与第二馈电孔的轴线均处于以固定通孔轴线为轴心的同一圆柱面上且第二短路金属化过孔与第二馈电孔的轴线沿上述圆柱面周向均布；
下层微带贴片处布置第三馈电点，第三馈电探针穿过下层介质基板而连接第三馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；
所述第一馈电孔上的位于中层微带贴片天线以及下层微带贴片天线的一段孔路与第一馈电探针间设置有隔离彼此的第一介质套，所述第二馈电孔上的位于下层微带贴片天线的一段孔路与第二馈电探针间设置有隔离彼此的第二介质套；第一短路金属化过孔的孔径等于第一介质套外径；第二短路金属化过孔孔径等于第二介质套外径。
所述上层微带贴片、上层介质基板、中层微带贴片、中层介质基板、下层微带贴片、下层介质基板以及底层馈电网络外形均为正方形片板状构造；位于下层微带贴片天线处的沿固定通孔轴线环绕分布的各相邻第一短路金属化过孔、第一馈电孔、第二短路金属化过孔、第二馈电孔之间彼此间距均等。
所述上层微带贴片两相对角端均设置切角；所述中层微带贴片的其中两对边处对称布置凸设有矩形微带枝节；所述下层微带贴片的四个边处均布置T型缝隙枝节。
所述底层馈电网络包括由上至下依次层叠布置的金属接地层、底层介质基板、环形微带线电桥以及布置于环形微带线电桥处的输出接口；所述第一短路金属化过孔、第一馈电孔、第二短路金属化过孔、第二馈电孔以及固定通孔均贯穿上述金属接地层以及底层介质基板；沿环形微带线电桥的四个直边环绕密布有一圈第三金属化过孔，所述第三金属化过孔的顶端连接金属接地层。
所述上层介质基板的介电常数为10.2，长与宽尺寸为22mm×22mm，板体厚度为2mm；中层介质基板的介电常数为10.2，长与宽尺寸为31mm×31mm，板体厚度为4mm；下层介质基板的介电常数为16，长与宽尺寸为34mm×34mm，板体厚度为6mm；底层介质基板的介电常数为9，长与宽尺寸为为35mm×35mm，板体厚度为0.508mm；所述各馈电探针的直径为0.9mm，第一短路金属化过孔和第二短路金属化过孔的孔径为3mm，第一馈电探针距固定通孔轴线间距为3.3mm，第二馈电探针距固定通孔轴线间距为3.5mm～4.3mm，第三馈电探针距固定通孔轴线间距为6mm。
本发明的有益效果在于：
1)、本发明通过由上到下层叠连接的上层微带贴片天线、中层微带贴片天线、下层微带贴片天线和底层馈电网络来组成天线模块，并以中心处布置的固定螺栓确保了各者间的层叠紧固构造。实际操作时，上层微带贴片天线对应于S频点，中层微带贴片天线对应于L频点，而下层微带贴片天线对应于B3频点，底层馈电网络则提供B3频点圆极化所需的馈电电路,从而实现了北斗二代B3频点和北斗一代L频点、S频点的信号接收功能。本发明可考采用高介电常数、低介质损耗的陶瓷材料基板来初步实现小型化；而与此同时，利用独特的沿固定通孔轴线90°周向分布的三道第一短路金属化过孔和三道第二短路金属化过孔，从而起到消除相应的第一馈电孔和第二馈电孔内各馈电探针的耦合影响的功能。相对传统必须在每个馈电孔周围均周向密布整整一圈金属化过孔的繁复耦合屏蔽方式而言，本发明仅采用三组短路金属化过孔，即可保证相应馈电探针的可靠工作，不仅使得设备的工作可靠性得到了有效保证，同时由于金属化过孔数目的减少，使得更少面积的微带贴片即可保证各金属化过孔的钻设，这显然利于目前天线的小型化和轻型化需求。
综上，本发明收发端口隔离度高、各频段的圆极化增益性能稳定；其可在保证良好的阻抗带宽和轴比带宽以及高增益性能的同时，亦可确保天线体积的小型化和轻型化需求，可用于北斗手持设备卫星信号的接收和发射。
2)、实际操作时，在位于中层微带贴片天线和下层微带贴片天线的第一馈电孔和位于下层微带贴片天线处的第二馈电孔内都会布置介质套来填充相应馈电孔与相应馈电探针之间的间隙；此时，可看作是对应的短路金属化过孔的孔径等于相应介质套的外径。而位于下层微带贴片天线处的沿固定通孔轴线环绕分布的各相邻第一短路金属化过孔、第一馈电孔、第二短路金属化过孔、第二馈电孔之间彼此间距均等，这反映在下层介质基板处时，可看出在该介质基板板面处呈现均匀分布的八个圆孔结构。上述间距均等的各孔路，最大程度的降低了各者间的工作干扰性，这对提升结构的工作可靠性和稳定性能起到有利影响。
3)、上层微带贴片为正方形结构形式，沿其对角线方向切角，并可考虑在与对角线夹角45°的直线位置设置馈电点，从而实现右旋圆极化工作。中层微带贴片为正方形结构形式，在其对称边缘加载短的微带枝节枝节，并在对角线上设置馈电点，实现左旋圆极化工作。底层馈电网络的介质基板采用细密的第三金属化过孔，并使该金属化过孔与介质基板的上下金属底相连，起到改善网络驻波及幅相分布，从而实现了馈电网络和天线单元的良好隔离目的。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1结构沿上层微带贴片的片体水平剖分后的俯视图；
图3为图1结构沿中层微带贴片的片体水平剖分后的俯视图；
图4为图1结构沿下层微带贴片的片体水平剖分后的俯视图；
图5为图1结构的仰视图。
附图中各标号与本发明的各部件名称对应关系如下：
a-固定通孔
11-上层微带贴片 12-上层介质基板
10a-第一馈电孔 10b-第一馈电探针 10c-第一短路金属化过孔
21-中层微带贴片 22-中层介质基板 23-矩形微带枝节
20a-第二馈电孔 20b-第二馈电探针 20c-第二短路金属化过孔
31-下层微带贴片 32-下层介质基板 33-T型缝隙枝节
30a-第三馈电探针
41-金属接地层 42-底层介质基板 43-环形微带线电桥
40a-第三金属化过孔 50-第一介质套 60-第二介质套
具体实施方式
为便于理解，此处结合附图对本发明的具体实施结构及工作流程作以下描述：
本发明的具体结构，如图1-5所示，其包括层叠贴片天线单元、底层馈电网络、多组馈电探针、多组金属化过孔和一根用于固定上述天线单元及馈电网络的固定螺钉。层叠贴片天线单元包括由上到下依次叠加的上层微带贴片天线、中层微带贴片天线和下层微带贴片天线，且由上到下辐射贴片面积逐步增大，介质基板逐步增厚。上层微带贴片天线包括上层微带贴片11和上层介质基板21，上层微带贴片11是正方形片状结构并切对角。中层微带贴片天线包括中层微带贴片21和中层介质基板22，中层微带贴片21是正方形片状结构并在其中一个对边加载矩形微带枝节23。下层微带贴片天线包括下层微带贴片31和下层介质基板32，下层微带贴片31是正方形片状结构并在四边处加载T型缝隙枝节33。底层馈电网络包括底层介质基板42、附属在底层介质基板42上表面处的金属接地层41、在底层介质基板42下表面处的环形微带线电桥43以及输出接口。环形微带线电桥43由50Ω分支微带线、低阻微带线、高阻微带线和50欧姆贴片电阻组成。在环形微带线电桥43周围布置了一圈细密的第三金属化过孔40a，并使各个第三金属化过孔40a铅垂向上的与金属接地层41连接，从而提高天线单元和馈电网络间的隔离屏蔽效果。馈电探针包括第一馈电探针10b、第二馈电探针20b和第三馈电探针30a。第一馈电探针10b顶端与上层微带贴片11的馈电点相连，且依次穿过上层介质基板12、中层微带贴片天线、下层微带贴片天线和底层馈电网络，并与底层馈电网络的输出接口相连；此外，第一馈电探针10b与中层微带贴片天线、下层微带贴片天线以及底层馈电网络的金属接地层41和底层介质基板42不接触。第二馈电探针20b顶端与中层微带贴片21的馈电点相连，且依次穿过中层介质基板22、下层微带贴片天线和底层馈电网络，并与底层馈电网络的输出接口相连；此外，第二馈电探针20b与下层微带贴片天线以及底层馈电网络的金属接地层41和底层介质基板42不接触。第三馈电探针30a实际设置时为两根，其顶端与下层微带贴片31的馈电点相连，且依次穿过下层介质基板32和底层馈电网络并与相应输出接口相连。
作为本发明的重点，如图2-5所示的，在原有的可供馈电探针穿设的馈电孔外，本发明还布置有短路金属化过孔。具体而言，对于供第一馈电探针10b穿设的第一馈电孔10a，在中层微带贴片天线和下层微带贴片天线上同轴贯穿的设置三组第一短路金属化过孔10c，且该三组第一短路金属化过孔10c与第一馈电孔10a共同位于以固定通孔a为轴线的同一圆柱面上，同时三组短路金属化过孔与第一馈电孔10a的位于中层微带贴片天线和下层微带贴片天线的孔道彼此呈现90度夹角分布，最终保证各者间距的一致性。同理，对于供第二馈电探针20b穿设的第二馈电孔20a，同样在下层微带贴片天线上同轴贯穿的设置三组第二短路金属化过孔20c，且该三组短路金属化过孔与第二馈电孔20a共同位于以固定通孔a为轴线的同一圆柱面上，同时该三组第二短路金属化过孔20c与第二馈电孔20a的位于下层微带贴片天线处孔道呈现周向90度夹角分布。
所述的固定螺钉在天线单元和底层馈电网络的铅垂中心线位置，其功能在于依次穿过各层微带天线和底层馈电网络，从而实现各者间的紧固目的。
本发明的具体工作原理如下：
本发明采用由上到下层叠连接的上层微带贴片天线、中层微带贴片天线、下层微带贴片天线和底层馈电网络组成天线模块，采用高介电常数、低介质损耗的陶瓷材料基板实现小型化，并利用多层微带贴片天线中心重合的叠加技术实现多频工作，从而有助于提高各输出端口的隔离度，实现了北斗二代B3频点和北斗一代L频点、S频点的信号接收。
上层微带贴片天线工作于S频点，采用单点馈电方式。通过正方形贴片在对角线上切三角形的形式实现右旋圆极化，将信号通过第一馈电探针10b传输到底层馈电网络的输出接进行接收。
中层微带贴片天线工作于L频点，采用在对角线上单点馈电。在正方形贴片的两对边处加载短枝节实现左旋圆极化，将信号由底层馈电网络的接口通过第二馈电探针20b发射出去。
下层微带贴片天线工作于B3频点，下层微带贴片天线的下层微带贴片31的四个边处加载T型缝隙枝节，同时底层介质基板42处布置第一短路金属化过孔10c和第二短路金属化过孔20c，以用于消除馈电探针的耦合影响，有利于天线的进一步小型化。底层馈电环形电桥43提供B3频点实现圆极化所需的幅度和相位，并通过第三馈电探针30a连接到下层微带贴片31的馈电点处。
本发明可工作于北斗二代B3频点和北斗一代L频点、S频点。实际应用时，优选上层介质基板21的介电常数为10.2，长与宽尺寸为22mm×22mm，板体厚度为2mm；中层介质基板22的介电常数为10.2，长与宽尺寸为31mm×31mm，板体厚度为4mm；下层介质基板32的介电常数为16，长与宽尺寸为34mm×34mm，板体厚度为6mm；底层介质基板42的介电常数为9，长与宽尺寸为为35mm×35mm，板体厚度为0.508mm。所采用的馈电探针的直径为0.9mm，第一短路金属化过孔10c和第二短路金属化过孔20c的孔径为3mm，第一馈电探针10b距固定通孔a轴线间距为3.3mm，第二馈电探针20b距固定通孔a轴线间距为3.5mm～4.3mm，第三馈电探针30a距固定通孔a轴线间距为6mm。第一馈电点与固定通孔a轴线的连线同第一短路金属化过孔10c与固定通孔a轴线的连线彼此垂直，同理，第二馈电点与固定通孔a轴线的连线同第二短路金属化过孔20c与固定通孔a轴线的连线彼此垂直。在平行固定通孔a轴线的方向上作俯视，优选第二馈电孔20a与固定通孔a轴线的连线同第一馈电孔10a与固定通孔a轴线的连线呈现45°夹角。

Claims (5)

1.一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：本天线包括由上而下且依次片状层叠布置的上层微带贴片(11)、上层介质基板(12)、中层微带贴片(21)、中层介质基板(22)、下层微带贴片(31)、下层介质基板(32)以及底层馈电网络；其中，上层微带贴片(11)与上层介质基板(12)构成工作于S频点的上层微带贴片天线，中层微带贴片(21)与中层介质基板(22)构成工作于L频点的中层微带贴片天线，下层微带贴片(31)与下层介质基板(32)构成工作于B3频点的下层微带贴片天线；在上层微带贴片天线、中层微带贴片天线、下层微带天线以及底层馈电网络的铅垂中心线处同轴的设置有固定通孔(a)，紧固螺栓穿过上述固定通孔(a)形成螺栓紧固配合；
上层微带贴片(11)处布置第一馈电点，由第一馈电点处垂直上层微带贴片(11)所在平面而依次贯穿上层介质基板(12)、中层微带贴片(21)、中层介质基板(22)、下层微带贴片(31)、下层介质基板(32)设置有第一馈电孔(10a)，第一馈电孔(10a)为金属化过孔，第一馈电探针(10b)同轴布置于第一馈电孔(10a)内，第一馈电探针(10b)的两端分别连接第一馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；本天线还包括贯穿中层微带贴片天线和下层微带贴片天线的第一短路金属化过孔(10c)，第一短路金属化过孔(10c)为三组，第一短路金属化过孔与第一馈电孔(10a)的轴线均处于以固定通孔(a)轴线为轴心的同一圆柱面上且第一短路金属化过孔(10c)与第一馈电孔(10a)的轴线沿上述圆柱面周向均布；
中层微带贴片(21)处布置第二馈电点，由第二馈电点处垂直上层微带贴片(11)所在平面而依次贯穿下层微带贴片(31)、下层介质基板(32)设置有第二馈电孔(20a)，第二馈电孔(20a)为金属化过孔，第二馈电探针(20b)同轴布置于第二馈电孔(20a)内，第二馈电探针(20b)的两端分别连接第二馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；本天线还包括贯穿下层微带贴片天线的第二短路金属化过孔(20c)，第二短路金属化过孔(20c)为三组，第二短路金属化过孔与第二馈电孔(20a)的轴线均处于以固定通孔(a)轴线为轴心的同一圆柱面上且第二短路金属化过孔(20c)与第二馈电孔(20a)的轴线沿上述圆柱面周向均布；
下层微带贴片(31)处布置第三馈电点，第三馈电探针(30a)穿过下层介质基板(32)而连接第三馈电点和位于底层馈电网络处的输出接口；
所述第一馈电孔(10a)上的位于中层微带贴片天线以及下层微带贴片天线的一段孔路与第一馈电探针(10b)间设置有隔离彼此的第一介质套(50)，所述第二馈电孔(20a)上的位于下层微带贴片天线的一段孔路与第二馈电探针(20b)间设置有隔离彼此的第二介质套(60)；第一短路金属化过孔(10c)的孔径等于第一介质套(50)外径；第二短路金属化过孔(20c)孔径等于第二介质套(60)外径。
2.根据权利要求1所述的一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：所述上层微带贴片(11)、上层介质基板(12)、中层微带贴片(21)、中层介质基板(22)、下层微带贴片(31)、下层介质基板(32)以及底层馈电网络外形均为正方形片板状构造；位于下层微带贴片天线处的沿固定通孔轴线环绕分布的各相邻第一短路金属化过孔(10c)、第一馈电孔(10a)、第二短路金属化过孔(20c)、第二馈电孔(20a)之间彼此间距均等。
3.根据权利要求2所述的一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：所述上层微带贴片(11)两相对角端均设置切角；所述中层微带贴片(21)的其中两对边处对称布置凸设有矩形微带枝节(23)；所述下层微带贴片(31)的四个边处均布置T型缝隙枝节(33)。
4.根据权利要求2或3所述的一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：所述底层馈电网络包括由上至下依次层叠布置的金属接地层(41)、底层介质基板(42)、环形微带线电桥(43)以及布置于环形微带线电桥(43)处的输出接口；所述第一短路金属化过孔(10c)、第一馈电孔(10a)、第二短路金属化过孔(20c)、第二馈电孔(20a)以及固定通孔(a)均贯穿上述金属接地层(41)以及底层介质基板(42)；沿环形微带线电桥(43)的四个直边环绕密布有一圈第三金属化过孔(40a)，所述第三金属化过孔(40a)的顶端连接金属接地层(41)。
5.根据权利要求4所述的一种小型化三频双圆极化天线，其特征在于：所述上层介质基板(12)的介电常数为10.2，长与宽尺寸为22mm×22mm，板体厚度为2mm；中层介质基板(22)的介电常数为10.2，长与宽尺寸为31mm×31mm，板体厚度为4mm；下层介质基板(32)的介电常数为16，长与宽尺寸为34mm×34mm，板体厚度为6mm；底层介质基板(42)的介电常数为9，长与宽尺寸为为35mm×35mm，板体厚度为0.508mm；所述各馈电探针的直径为0.9mm，第一短路金属化过孔(10c)和第二短路金属化过孔(20c)的孔径为3mm，第一馈电探针(10b)距固定通孔(a)轴线间距为3.3mm，第二馈电探针(20b)距固定通孔(a)轴线间距为3.5mm～4.3mm，第三馈电探针(30a)距固定通孔(a)轴线间距为6mm。
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