CN108039577A - 一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，所述微带天线至少包括第一基片，所述第一基片采用双馈点方式，使用3dB电桥作为功分网络，利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片作左旋圆极化天线，同时作右旋圆极化天线。第一基片作左旋圆极化天线时为北斗一号发射天线，所述第一基片作右旋圆极化天线时为GPS定位天线。本发明基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，可使多频天线采用一体化方式集成在一个基片上，减少了天线所需基片的数量，减少了由于更多基片所带来的更多的基片间的耦合，更能稳定天线的性能，对于后端和射频于一体的通信终端，更小的尺寸，易于后端射频电路的集成。

Description

一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线

技术领域

本发明属卫星导航技术领域，具体涉及一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线。

背景技术

在卫星导航系统中，天线是非常重要的组成部分，在一定程度上决定着卫星导航系统的性能。适合多模导航接收机的天线，具有多频段、圆极化及宽带的特点。

目前，卫星导航系统的天线，通常使用微带天线（Microstrip antenna）和螺旋天线（Helical antenna），这两种天线都可以形成圆极化的半球形方向图，其中微带贴片天线（Microstrip patch antenna）和谐振式四臂螺旋天线（Quadrifilar helical antenna）因为价格低，体积小，剖面小、易加工和良好的指标而被广泛采用。其中微带贴片天线以易于共形及易于和集成电路兼容的特点，大量应用于卫星导航系统中。

针对多模导航接收机的多频段的特点，现有的多频微带天线多采用叠层各自馈电的方式进行设计，对于具有RDSS（Radio Determination Satellite Service）和RNSS（Radio Navigation Satellite System）通信定位功能的通信终端，天线的基片为三层。由于各层基片的耦合影响以及上层基片底面对下层基片表面的影响存在，多频微带叠层天线位于下方的基片尺寸设计会大于上方基片。以方形的贴片为例，图1为现有技术中的一种三层基片的方形叠层微带贴片天线。如图1所示，天线基片的层数由频段数决定，为三层，从上到下分别为BD-S(2.49175GHz)，BD-L(1.61568GHz)，GPS-L1(1.57542GHz),每层基片的大小由所选板材的介电常数和频段共同决定，而各层的基板介电常数的选择又会影响天线的性能。

对于单片微带天线实现圆极化的常见馈电方式有两种：单馈点和双馈点。采用单馈点的微带天线不需要功分器，易于和集成电路连接，但设计、调试较为繁琐；采用双馈点的微带天线，对成直角分布的馈点馈入幅度相等、相位相差90°的两个信号，即可形成圆极化辐射，一般多用威尔金森功分器或3dB电桥来实现这一功能。

在具有RDSS和RNSS通信定位功能的通信终端中，北斗一号的发射频率（1615.68MHz）和GPS（1575.42MHz）频率接近，但由于北斗一号的发射采用的是左旋圆极化天线，而GPS定位采用的是右旋圆极化天线，所以虽然频率相近，但仍然需要使用两套不同的天线基片来实现北斗一号的发射和GPS的定位，无法使用一个基片来实现。

由此可见，现有的具有RDSS和RNSS通信定位功能的通信终端上的微带天线，上行、下行的频段无法在同一基片上使用，造成天线基片数量无法减少，从而使得天线在固定指标的要求下剖面无法减小，如果需要在一些小型设备中使用，则会使设备体积过大，不利于电路的集成。

发明内容

本发明实施例的目的是解决现有技术中天线体积大，上行、下行频段无法在同一个基片实现的问题，提出了一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，采用3dB电桥作为基片的功分网络，实现双馈点方式在同一基片上以不同馈口馈电，从而使得同一基片既可做左旋圆极化发射天线，又可做右旋圆极化接收天线，减少天线所需基片数量，缩小天线体积。

根据本发明的一个方面，提出了一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，所述微带天线至少包括第一基片，所述第一基片采用双馈点方式，使用3dB电桥作为功分网络，利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片作左旋圆极化天线，同时作右旋圆极化天线。

上述方案中，所述第一基片作左旋圆极化天线时为北斗一号发射天线，所述第一基片作右旋圆极化天线时为GPS定位天线。

上述方案中，所述微带天线还包括第二基片；所述第二基片为北斗一号接收天线，采用单馈点。

上述方案中，所述第二基片为微带天线的上层基片，所述第一基片为微带天线的下层基片，并分别通过馈线压紧焊接至同一块PCB基板上，在所述PCB基板背面将所述第一基片的馈线与3dB电桥pin脚进行焊接。

上述方案中，所述3dB电桥具有4个pin脚；

所述利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片做左旋圆极化天线，同时做右旋圆极化天线，进一步为，所述第一基片采用3dB电桥的pin3和pin4作为两个固定馈点，采用pin1或pin2做input端口；

当用pin1做input端口时，pin3相位比pin4滞后90°，北斗一号发射天线在pin1口形成左旋圆极化波；当用pin2做input时，pin3相位比pin4超前90°，GPS定位天线在pin2口形成右旋圆极化波。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，可使多频天线采用一体化方式集成在一个基片上，减少了天线所需基片的数量，减少了由于更多基片所带来的更多的基片间的耦合，更能稳定天线的性能，对于后端和射频于一体的通信终端，更小的尺寸，更少的器件和更少的基片也利于在后端做屏蔽干扰的处理，从另一方面提高天线的稳定性。采用基于3dB电桥的多频一体化天线可以降低天线的尺寸和质量，易于后端射频电路的集成，并且具有良好的稳定性。本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，可以应用在不同的场合，如海洋环境信息实时传输、小型化手持通信终端等。

附图说明

图1为现有技术中一种三层基片的叠层微带贴片天线结构示意图；

图2为本发明实施例应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线结构示意图；

图3为本发明实施例应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线剖面结构示意图；

图4为本发明实施例的微带天线中3dB电桥pin脚对应关系原理图；

图5为本发明实施例应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线pin脚连接示意图；

图6为本发明实施例中微带天线第二基片的天线方向图；

图7为本发明实施例中微带天线第一基片作为导航卫星发射天线时的天线方向图；

图8为本发明实施例中微带天线第一基片作为GPS定位天线时的天线方向图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

卫星导航通讯系统的小型化是一种发展趋势。为了制备小型化的设备，需要在保证天线性能的前提下，实现天线尺寸的小型化。对于多叠层天线而言，基片层数的减少，可大幅降低天线体积，实现天线的小型化，也易于实现电路的集成。具有RDSS和RNSS通信定位功能的通信终端上的微带天线，如果上行、下行的频段可在同一基片上使用，则可减少天线基片的数量，从而使得天线在固定指标的要求下减小剖面。对于北斗一号发射天线和GPS定位天线而言，虽然天线频率相近，但所采用的圆极化方式不同，要在同一基片上同时实现上行、下行频段，即需要实现在相近的频段即使圆极化的极化方向不一致的情况下也可以在同一宽频的基片上使用。本发明针对频率相近的天线通讯过程提出。优选的，这里所述的频率相近的天线，指北斗一号的发射天线和GPS定位系统天线。北斗一号发射天线频率为1615.68MHz±2MHz，GPS天线为1575.42MHz±2MHz，两者频率相差40MHz，可以通过调节带宽满足两者的工作频率。

本发明提出了一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，所述微带天线至少包括第一基片，所述第一基片采用双馈点方式，使用3dB电桥作为功分网络，利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片作左旋圆极化天线，同时作右旋圆极化天线。

优选的，所述第一基片作左旋圆极化天线时为北斗一号发射天线，所述第一基片作右旋圆极化天线时为GPS定位天线。

优选的，所述宽频一体化微带天线还包括第二基片，所述第二基片为北斗一号接收天线，采用单馈点。图2为本发明实施例所述应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线模型结构示意图。如图2所示，所述宽频一体化微带天线由两层基片组成，为双层叠层天线。其中，上层基片为第二基片，为北斗一号接收天线，采用单馈点；下层为第一基片，为北斗一号发射和GPS定位一体天线，使用3dB电桥作为功分网络，采用双馈点。作为下层的第一基片，由于将北斗一号发射频段和GPS定位频段两个频段合在一起使用，带宽加宽，所以下层天线厚度会增加，以提高带宽。

图3为本发明实施例的应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线剖面结构示意图。如图3所示，本实施例的宽频一体化微带天线，所述微带天线上层为北斗一号接收天线S基片，向下一层为宽频北斗一号发射和GPS定位一体天线L/GPS基片，两层天线分别通过馈线压紧焊接至下层PCB基板上，在PCB基板背面将天线馈线与3dB电桥pin脚进行焊接。天线采用双层基片实现三频工作，上层的S基片即第二基片为北斗一号接收天线，采用单馈方式进行馈电，不需要和电桥连接；下层的L/GPS基片即第一基片为北斗一号发射和GPS一体化天线，利用同一个3dB电桥进行馈电。L/GPS基片有两个馈点，同轴馈线一端焊接在天线基片辐射面，另一端穿过PCB基板和3dB电桥焊接，电桥为表贴器件，在PCB基板上设计有固定的焊盘与馈线来焊接。区别于一般的三频天线，基于3dB电桥的三频一体化天线减少了基板的使用数量，只采用一个3dB电桥作为一体化天线的网络，基于3dB电桥的多频一体化微带天线相比于传统多频双馈点天线，省去了微带线或带状线所做的功分网络，且只使用一个3dB电桥，一方面在天线背面节省了大量空间，另一方面可以更利于后面板射频电路的集成和分布。另外需要说明的是，本实施例的重点在于对3dB电桥的使用，在微带天线的结构设计上，也可以把S基片放在下层，L/GPS基片放在上层，所选基板和面积根据结构设计的需要作适应性改变。

图4为本发明实施例的微带天线中3dB电桥pin脚对应关系原理图。如图4所示，3dB电桥作为控制一体天线中双馈点相位的关键要点，具有4个pin脚。当采用双馈点的天线使用pin3和pin4作为固定的两个馈点时，如果用pin1做input时，pin3相位比pin4滞后90°，而用pin2做input时，pin3相位比pin4超前90°。对具有RDSS和RNSS通信定位功能的通信终端，将北斗一号发射天线功放的输出口接在pin1形成左旋圆极化波，将GPS低噪放的输入端口接在pin2形成右旋圆极化波，这样使用同一基片、双馈点以及3dB电桥的情况下可实现左旋圆极化发射天线与右旋GPS定位天线的一体化。这里的pin脚对应方式仅是其中的一种，可以根据实际需要或设计需要采用其他方式。不论何种方式，其原理是相同的。

图5为本发明实施例所述应用于卫星导航系统的宽频一体化微带天线pin脚连接示意图。如图5所示，L/GPS一体化微带天线两个馈点分别连接至3dB电桥的pin3和pin4，此时用pin1做input，pin3相位比pin4滞后90°，天线形成左旋圆极化波，并作为北斗发射天线和北斗发射功放连接；当用pin2做input时，pin3相位比pin4超前90°，天线形成右旋圆极化波，天线作为GPS接收天线和GPS低噪放连接使用，这样可满足一个天线同时供北斗发射和GPS定位一起使用。

对本发明实施例的微带天线进行仿真，并根据仿真天线绘制天线方向图。图6为本发明实施例中微带天线第二基片的天线方向图；图7为本发明实施例中微带天线的第一基片作为导航卫星发射天线时的天线方向图，图8为本发明实施例中微带天线的第一基片作为GPS定位天线时的天线方向图。如图6至图8所示，使用本发明实施例的基于3dB电桥的多频一体化微带天线，可将不同圆极化方式且频率相近的天线在一个基片上实现。如图7和图8所示，对于使用同一天线基片和双馈点的北斗一号发射天线和GPS天线在各自频带的方向图增益良好，只有给双馈点各自馈入的相位不同，表明北斗一号发射天线和GPS天线可做一体化设计并且利用3dB电桥更改相位关系。因此，本发明实施例的微带天线在不影响其他指标尤其是增益的情况下大大缩减了多频天线的尺寸，降低了多频天线对空间要求和尺寸，提高了天线的适用性。

本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，可使多频天线采用一体化方式集成在一个基片上，减少了天线所需基片的数量，减少了由于更多基片所带来的更多的基片间的耦合，更能稳定天线的性能，对于后端和射频于一体的通信终端，更小的尺寸，更少的器件和更少的基片也利于在后端做屏蔽干扰的处理，从另一方面提高天线的稳定性。采用基于3dB电桥的多频一体化天线可以降低天线的尺寸和质量，易于后端射频电路的集成，并且具有良好的稳定性。

本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，可以应用在不同的场合。如，海洋环境信息实时传输，小型化手持通信终端，等。下面通过具体的实施例对本发明的应用进行详细说明。

应用实施例1

将本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线应用于海洋环境信息实时传输。海洋环境信息实时传输技术主要由信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、北斗卫星系统、信息汇集模块、信息处理中心等组成。

对于整个海洋环境的实时监测，一个监测平台（如浮标）上具有卫星导航和通信系统，而天线就是这套系统的关键，由于水面的特殊性，除了对天线外形设计要小巧便于置于系统上之外，还必须有较小的质量满足监测平台可以浮于海面之上，并且天线还要考虑海面的特殊性带来的影响。

鉴于海洋监测系统中信息监测平台上的卫星导航和通信系统对于天线的尺寸，质量和性能的要求标准较高，所以我们采用基于3dB电桥的宽频一体化天线，采用该天线有以下几个优点：

北斗一号接收天线采用单馈点方式，北斗一号发射天线和GPS天线使用同一个3dB电桥采用一体化方式，将少了天线基片的使用，大大缩小了天线尺寸和质量，更好的适用于监测平台。天线采用的基片数量减少，减少了由于更多基片所带来的更多的基片间的耦合，提高了天线的稳定性，减少海水波动和反射带给天线的影响，能更好的适应海面复杂的情况，使监测平台上的卫星导航和通信系统工作在更稳定的状态。

应用实施例2

将本发明实施例的基于3dB电桥的宽频一体化微带天线应用于小型化手持通信终端。

小型化手持通信终端要求尺寸小巧，易于携带，集成度高，在小型化通信终端使用基于3dB电桥的宽频一体化天线几个优点：

北斗一号接收天线采用单馈点方式，北斗一号发射天线和GPS天线使用同一个3dB电桥采用一体化方式，将少了天线基片的使用，大大缩小了天线尺寸和质量。天线采用的基片数量减少，减少了由于更多基片所带来的更多的基片间的耦合，提高了天线的稳定性，是手持设备可以更好的适应各种环境。天线背面板空间只采用一个3dB电桥，易于后面板射频电路的集成和分布，更一步缩减了手持终端的尺寸。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于3dB电桥的宽频一体化微带天线，其特征在于，所述微带天线至少包括第一基片，所述第一基片采用双馈点方式，使用3dB电桥作为功分网络，利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片作左旋圆极化天线，同时作右旋圆极化天线。

2.根据权利要求1所述的宽频一体化微带天线，其特征在于，所述第一基片作左旋圆极化天线时为北斗一号发射天线，所述第一基片作右旋圆极化天线时为GPS定位天线。

3.根据权利要求2所述的宽频一体化微带天线，其特征在于，所述微带天线还包括第二基片；所述第二基片为北斗一号接收天线，采用单馈点。

4.根据权利要求3所述的宽频一体化微带天线，其特征在于，

所述第二基片为微带天线的上层基片，所述第一基片为微带天线的下层基片，并分别通过馈线压紧焊接至同一块PCB基板上，在所述PCB基板背面将所述第一基片的馈线与3dB电桥pin脚进行焊接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的宽频一体化微带天线，其特征在于，

所述3dB电桥具有4个pin脚；

所述利用3dB电桥不同馈口馈电时对应的馈口相位不同来实现所述第一基片做左旋圆极化天线，同时做右旋圆极化天线，进一步为，所述第一基片采用3dB电桥的pin3和pin4作为两个固定馈点，采用pin1或pin2做input端口；

当用pin1做input端口时，pin3相位比pin4滞后90°，北斗一号发射天线在pin1口形成左旋圆极化波；当用pin2做input时，pin3相位比pin4超前90°，GPS定位天线在pin2口形成右旋圆极化波。