CN108306106B - 小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线及终端 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线及终端，该天线包括第一介质基板和第二介质基板，第一介质基板的上表面印制有辐射贴片，辐射贴片包括环形贴片、四个方形短路金属片和两个T形馈电耦合片，环形贴片上向内折弯有四个中心对称的凹槽，每两个相邻凹槽之间设置一方形短路金属片，第二介质基板的下表面印制有反射板，反射板包括矩形环贴片和矩形块贴片，矩形块贴片位于矩形环贴片内部，矩形块贴片的侧边与矩形环贴片的侧边一一对应平行，矩形块贴片的四角处均设有切角，该设计可显著缩小反射板尺寸，从而缩小天线整体尺寸。与现有技术相比，本发明覆盖GPS L1频段，性能良好、尺寸小巧，适合应用在导航终端设备中。

Description

小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线及终端
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是涉及一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线及终端。
背景技术
GPS全球定位系统是为了军用方面的需求而研制的新型定位导航系统，主要用于搜集情报和监测核聚变等军事方面的目的，随着定位技术的发展，后续在民用方面也能提供更多的服务。GPS定位系统通过多年的研究设计，卫星星座已经全部架设完成，目前，正在运行的GPS卫星共有32颗，几乎覆盖全球范围，向全球各地提供高精度的民用定位。
天线是卫星导航系统中的重要组件之一，在信息传递中发挥不可替代的作用。目前在终端产品的设计应用中不仅要求天线具有宽波束、圆极化以及良好的低仰角增益，还需要天线的尺寸尽可能小，易于集成在系统中。在卫星导航中广泛使用的天线主要有微带天线和四臂螺旋天线，四臂螺旋天线具有宽波束以及圆极化效果好等特点但难以集成，而微带天线中的环形天线具有二维小型化的特性，满足导航终端设备的便携性需求，同时剖面低，易于载体共形，适于批量生产，在导航、民用、军用等等方面都能得到广泛应用。因此对于小型化环形天线的研究在GPS导航系统中有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线及终端，该设计可显著缩小反射板尺寸，从而缩小天线整体尺寸，覆盖GPS L1频段，性能良好、尺寸小巧，适合应用在导航终端设备中。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，包括上下设置的第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的上表面印制有辐射贴片，所述辐射贴片包括环形贴片、四个方形短路金属片和两个T形馈电耦合片，所述环形贴片上向内折弯有四个中心对称的凹槽，每两个相邻凹槽之间设置一方形短路金属片，所述两个T形馈电耦合片均位于环形贴片内部，两个T形馈电耦合片的竖边相垂直，且竖边端部相连接形成一个直角形耦合馈电点，两个T形馈电耦合片的横边长度不相等，所述第二介质基板的下表面印制有反射板，所述反射板包括矩形环贴片和矩形块贴片，所述矩形块贴片位于矩形环贴片内部，矩形块贴片的侧边与矩形环贴片的侧边一一对应平行，矩形块贴片的四角处均设有切角，每个方形短路金属片中心处通过一竖直设置的短路探针连接矩形块贴片。
所述直角形耦合馈电点处通过一竖直设置的同轴馈电探针连接矩形块贴片，所述环形贴片的中心、矩形环贴片的中心和矩形块贴片的中心均在同一竖直直线上。
所述环形贴片的形状为矩形，环形贴片的每条侧边上向内折弯形成矩形的凹槽。
每个T形馈电耦合片的横边分别对应紧贴一凹槽设置，所述直角形耦合馈电点位于环形贴片的中心，但不限于中心。
所述第一介质基板和第二介质基板之间填充有空气层。
所述第一介质基板和第二介质基板均采用环氧树脂板。
每个方形短路金属片与环形贴片之间的缝隙宽度相等或不相等，所述环形贴片的宽度处处相等或不相等，四角处各切角的大小尺寸均相等。
通过调整环形贴片的周长长度激励GPS L1频段；
调整方形短路金属片、T形馈电耦合片的大小尺寸激发右旋圆极化波，实现天线的圆极化。
所述第一介质基板和第二介质基板的厚度均为0.5-0.7mm，第一介质基板和第二介质基板之间的层高为4.5-5.5mm；
所述环形贴片的宽度为1.8-2.2mm，所述方形短路金属片的边长为5.5-6.5mm；
所述矩形环贴片的形状为正方形的环带，矩形环贴片的外沿边长为45-55mm，内沿边长为40-48mm；所述矩形块贴片的形状为正方形，矩形块贴片的边长为33-39mm，所述切角的直角边长为4.2-4.7mm。
一种终端，所述终端包括上述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过弯折的环形贴片，并在环形贴片内加载方形短路金属片实现天线结构的小型化，使天线覆盖GPS L1频段。同时，天线采用耦合馈电，激励天线辐射右旋圆极化波。该天线性能良好、尺寸小巧，适合应用在导航终端设备中。
2、两个T形馈电耦合片的作为耦合边的横边长度不相等，实现了天线的圆极化辐射。
3、作为天线接地板的反射板上开槽，采用切角的矩形加环形结构，该切角的矩形加环形结构可显著缩小接地板尺寸，实现天线的定向辐射。
附图说明
图1为卫星导航终端环形天线的俯视示意图；
图2为卫星导航终端环形天线的仰视示意图；
图3为卫星导航终端环形天线的侧视示意图；
图4为卫星导航终端环形天线中辐射贴片的结构示意图；
图5为卫星导航终端环形天线中两个T形馈电耦合片和同轴馈电探针的结构示意图；
图6为卫星导航终端环形天线中反射板的结构示意图；
图7为卫星导航终端环形天线的反射系数仿真结果示意图；
图8是卫星导航终端环形天线的圆极化轴比带宽仿真结果示意图；
图9是卫星导航终端环形天线的XOZ面方向图。
图中，1、第一介质基板，2、第二介质基板，3、辐射贴片，31、环形贴片，311、凹槽，32、方形短路金属片，33、T形馈电耦合片，34、短路探针，4、反射板，41、矩形环贴片，42、矩形块贴片，421、切角，5、空气层，6、同轴馈电探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-图6所示，一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线包括上下设置的第一介质基板1和第二介质基板2，第一介质基板1的上表面印制有辐射贴片3，辐射贴片3包括环形贴片31、四个方形短路金属片32和两个T形馈电耦合片33，环形贴片31上向内折弯有四个中心对称的凹槽311，每两个相邻凹槽311之间设置一方形短路金属片32，两个T形馈电耦合片33均位于环形贴片31内部，两个T形馈电耦合片33的竖边相垂直，且竖边端部相连接形成一个直角形耦合馈电点，如图5中A点所示，两个T形馈电耦合片33的横边长度不相等，第二介质基板2的下表面印制有反射板4，该反射板4作为天线接地板，反射板4包括矩形环贴片41和矩形块贴片42，矩形块贴片42位于矩形环贴片41内部，矩形块贴片42的侧边与矩形环贴片41的侧边一一对应平行，矩形块贴片42的四角处均设有切角421，每个方形短路金属片32中心处通过一竖直设置的短路探针34连接矩形块贴片42。
图4中阴影部分为环形贴片31、方形短路金属片32和短路探针34，辐射贴片3中环形贴片31采用弯折环形结构，该弯折环形结构可缩小天线尺寸，四个方形短路金属片32与反射板4的接地面短接可进一步缩小天线尺寸，是本发明的创新点之一。
图5中阴影部分为T形馈电耦合片33和同轴馈电探针6，两个T形馈电耦合片33的横边长度不相等，实现了天线的圆极化辐射，是本发明创新之二。
图6中阴影部分为反射板4，作为天线接地板的反射板4上开槽，采用切角421的矩形加环形结构，该切角421的矩形加环形结构可显著缩小接地板尺寸，实现天线的定向辐射，是本发明创新之三。
直角形耦合馈电点处通过一竖直设置的同轴馈电探针6连接矩形块贴片42，通过同轴馈电探针6进行馈电，环形贴片31的中心、矩形环贴片41的中心和矩形块贴片42的中心均在同一竖直直线上，环形贴片31的形状为矩形，环形贴片31的每条侧边上向内折弯形成矩形的凹槽311。
每个T形馈电耦合片33的横边分别对应紧贴一凹槽311设置，本实施例中T形馈电耦合片33的横边与矩形的凹槽311的底边相平行，并作为耦合边，直角形耦合馈电点位于环形贴片31的中心，但不限于中心。
辐射贴片3和反射板4之间填充介质，所填的介质不限于两层介质基板加空气层5，可以是一种介质，第一介质基板1和第二介质基板2之间填充有空气层5，第一介质基板1和第二介质基板2均采用环氧树脂板。
每个方形短路金属片32与环形贴片31之间的缝隙宽度相等或不相等，环形贴片31的宽度处处相等或不相等。四角处各切角421的大小尺寸均相等。
通过调整环形贴片31的周长长度激励GPS L1频段；调整方形短路金属片32、T形馈电耦合片33的大小尺寸激发右旋圆极化波，实现天线的圆极化。
第一介质基板1和第二介质基板2的厚度均为0.5-0.7mm，第一介质基板1和第二介质基板2之间的层高为4.5-5.5mm；环形贴片31的宽度为1.8-2.2mm，方形短路金属片32的边长为5.5-6.5mm；矩形环贴片41的形状为正方形的环带，矩形环贴片41的外沿边长为45-55mm，内沿边长为40-48mm；矩形块贴片42的形状为正方形，矩形块贴片42的边长为33-39mm，切角421的直角边长为4.2-4.7mm。
本实施例中，卫星导航终端环形天线尺寸为50mm×50mm×6.2mm，实现小型化。其中，两个介质基板的厚度为0.6mm，反射板4上的矩形环贴片41为正矩形的环带，环的外沿每边长为50mm，内沿每边长为44mm；矩形环贴片41内部的矩形块贴片42边长为36mm，切角421边长为4.5mm。环形贴片31宽度为2mm，方形短路金属片32边长为6mm。两层介质基板间的空气层5高5mm。
一种终端，该终端包括上述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，经过试验验证可获得良好的工作性能，图7所示为小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线的反射系数，Freq表示频率，S(1,1)是指第二个端口匹配时，第一个端口的反射系数；图8所示为小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线的圆极化轴比（Axial Ratio Value）；图9所示为小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线在XOZ平面的辐射方向图，后瓣小，实现定向辐射特性。

Claims (10)

1.一种小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，包括上下设置的第一介质基板（1）和第二介质基板（2），所述第一介质基板（1）的上表面印制有辐射贴片（3），所述辐射贴片（3）包括环形贴片（31）、四个方形短路金属片（32）和两个T形馈电耦合片（33），所述环形贴片（31）上向内折弯有四个中心对称的凹槽（311），每两个相邻凹槽（311）之间设置一方形短路金属片（32），所述两个T形馈电耦合片（33）均位于环形贴片（31）内部，两个T形馈电耦合片（33）的竖边相垂直，且竖边端部相连接形成一个直角形耦合馈电点，两个T形馈电耦合片（33）的横边长度不相等，所述第二介质基板（2）的下表面印制有反射板（4），所述反射板（4）包括矩形环贴片（41）和矩形块贴片（42），所述矩形块贴片（42）位于矩形环贴片（41）内部，矩形块贴片（42）的侧边与矩形环贴片（41）的侧边一一对应平行，矩形块贴片（42）的四角处均设有切角（421），每个方形短路金属片（32）中心处通过一竖直设置的短路探针（34）连接矩形块贴片（42）。
2.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，所述直角形耦合馈电点处通过一竖直设置的同轴馈电探针（6）连接矩形块贴片（42），所述环形贴片（31）的中心、矩形环贴片（41）的中心和矩形块贴片（42）的中心均在同一竖直直线上。
3.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，所述环形贴片（31）的形状为矩形，环形贴片（31）的每条侧边上向内折弯形成矩形的凹槽（311）。
4.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，每个T形馈电耦合片（33）的横边分别对应紧贴一凹槽（311）设置，所述直角形耦合馈电点位于环形贴片（31）的中心，但不限于中心。
5.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，所述第一介质基板（1）和第二介质基板（2）之间填充有空气层（5）。
6.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，所述第一介质基板（1）和第二介质基板（2）均采用环氧树脂板。
7.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，每个方形短路金属片（32）与环形贴片（31）之间的缝隙宽度相等或不相等，所述环形贴片（31）的宽度处处相等或不相等，四角处各切角（421）的大小尺寸均相等。
8.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，通过调整环形贴片（31）的周长长度激励GPS L1频段；
调整方形短路金属片（32）、T形馈电耦合片（33）的大小尺寸激发右旋圆极化波，实现天线的圆极化。
9.根据权利要求1所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线，其特征在于，所述第一介质基板（1）和第二介质基板（2）的厚度均为0.5-0.7mm，第一介质基板（1）和第二介质基板（2）之间的层高为4.5-5.5mm；
所述环形贴片（31）的宽度为1.8-2.2mm，所述方形短路金属片（32）的边长为5.5-6.5mm；
所述矩形环贴片（41）的形状为正方形的环带，矩形环贴片（41）的外沿边长为45-55mm，内沿边长为40-48mm；所述矩形块贴片（42）的形状为正方形，矩形块贴片（42）的边长为33-39mm，所述切角（421）的直角边长为4.2-4.7mm。
10.一种终端，其特征在于，所述终端包括如权利要求1-9任一项所述的小型化矩形贴片短路加载卫星导航环形天线。
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