CN109524777B - 一种复合开槽结构的圆极化微带天线 - Google Patents

一种复合开槽结构的圆极化微带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合开槽结构的圆极化微带天线，包括介质基板，以及分别设置于所述介质基板的上表面和下表面的微带贴片和金属地板，所述介质基板上还设置有同轴馈电端口，所述同轴馈电端口与金属地板连接，并穿过介质基板与微带贴片相连进行馈电，所述微带贴片为将正方形微带贴片的两个相对的直角进行三角形切角处理而成，所述微带贴片上开设有多个L形槽和矩形槽，所述多个L形槽和矩形槽均形成以微带贴片的中心对称布置的结构。本发明的微带天线小型化的同时，天线阻抗带宽和增益等关键技术指标影响较小，能够较好的适用于汽车、小型无人机等平台安装。

Description

一种复合开槽结构的圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，具体涉及一种复合开槽结构的圆极化微带天线。
背景技术
卫星导航系统通过接收多颗卫星的导航信号，精确地测量平台所处的三维空间位置，是现代交通平台必不可少的关键系统。汽车、小型无人机等平台上安装的无线通信系统较多，留给天线的安装位置十分有限，因此卫星导航天线的小型化是近年来的研究和应用热点。
现目前，微带贴片天线具有低剖面、宽波束等优点，非常适合于平台集成，成为卫星导航天线的首选。为了减少微带贴片天线的尺寸，人们通常采用高介电常数的陶瓷材料；但陶瓷材料的成本较为高昂，且对天线阻抗带宽影响较大，天线增益也有所降低。因此，现有的微带天线还无法较好的满足小型化、高性能的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种可大幅减小尺寸，且对天线阻抗带宽和增益影响较小的微带天线。
本发明的目的是这样实现的：一种复合开槽结构的圆极化微带天线，包括介质基板，以及分别设置于所述介质基板的上表面和下表面的微带贴片和金属地板，所述介质基板上还设置有同轴馈电端口，所述同轴馈电端口与金属地板连接，并穿过介质基板与微带贴片相连进行馈电，所述微带贴片为将正方形微带贴片的两个相对的直角进行三角形切角处理而成，所述微带贴片上开设有多个L形槽和矩形槽，所述多个L形槽和矩形槽均形成以微带贴片的中心对称布置的结构。
优选的，所述L形槽的数量为四个，四个L形槽的尺寸均相同，并且相邻两个L形槽之间均形成轴对称分布。
优选的，所述微带贴片上共开设有八个相同尺寸的矩形槽，在微带贴片的每个直角边上分布有两个矩形槽。
优选的，圆极化微带天线的工作频率为300MHz-6000MHz，对应的自由空间波长为50mm-1000mm，对应的介质中波长约为25mm-500mm。
优选的，所述介质基板为正方形环氧树脂基板，环氧树脂基板的边长为所述介质中波长的0.4倍，环氧树脂基板的厚度为1mm-3mm。
优选的，所述金属地板为与所述环氧树脂基板的边长相同的正方形金属地板。
优选的，所述微带贴片的边长为所述介质中波长的0.3倍。
优选的，将正方形微带贴片的两个相对的直角进行切角处理后形成两个尺寸相同的等腰直角三角形切角，等腰直角三角形切角的腰长为微带贴片边长的八分之一。
优选的，所述多个L形槽的尺寸完全相同，每个L形槽长度为微带贴片边长的0.45倍，L形槽的槽宽度为1mm-5mm。
优选的，所述多个矩形槽的尺寸完全相同，每个矩形槽的边长为微带贴片边长的0.2倍，矩形槽的槽宽度为1mm-5mm。
相比现有的微带天线，本发明的复合开槽结构的圆极化微带天线的有益效果体现在：通过增加复合开槽结构大幅减小了天线的尺寸，方便天线在汽车、小型无人机等平台安装，天线小型化的同时，天线阻抗带宽和增益等关键技术指标影响较小；此外，天线采用最常用的环氧树脂(FR-4)作为基板，具有成本低廉的突出优势。
附图说明
图1为本发明实施例的圆极化微带天线结构示意图；
图2为本发明实施例的圆极化微带天线的微带贴片上开设复合开槽结构示意图。
图3为与本发明作为对比的采用三角形切角的圆极化微带天线结构示意图。
图4为本发明实施例的圆极化微带天线和比对圆极化微带天线的S11参数曲线图；
图5为本发明实施实例的圆极化微带天线和比对圆极化微带天线的增益曲线图；
图6为本发明实施例的圆极化微带天线和比对圆极化微带天线的轴比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例，对本发明的复合开槽结构的圆极化微带天线进行详细的阐述说明，应该理解的是，提供以下实施例的目的在于使本领域技术人员更为清楚的理解本发明的构思，其并不能作为对本发明实施方式的具体限定。
参阅附图1-6所示，本发明提供如下实施例：
参阅附图1所示，本发明实施例的一种复合开槽结构的圆极化微带天线，包括介质基板1，以及分别设置于所述介质基板1的上表面和下表面的微带贴片3和金属地板2(作为接地板)，所述介质基板1上还设置有同轴馈电端口4，所述同轴馈电端口4与金属地板2连接，并穿过介质基板1与微带贴片3相连进行馈电；所述微带贴片3为将正方形微带贴片的两个相对的直角进行三角形切角处理而成，即进行切角处理后，所切除的部分(切角)为三角形切角(10、11)；所述微带贴片上开设有多个L形槽(21、22、23、24)和多个矩形槽(31、32、33、34、35、36、37、38)，所述多个L形槽和矩形槽均形成以微带贴片的中心对称布置的结构。
参阅图2所示，本发明实施例的圆极化微带天线的微带贴片的构造示意图，所述微带贴片3上所开设的L形槽的数量为四个，四个L形槽(21、22、23、24)的尺寸均完全相同，并且相邻两个L形槽之间均形成轴对称分布，每个L形槽的直角均朝向微带贴片外；进一步的，所述微带贴片上共开设有八个尺寸完全相同的矩形槽(31、32、33、34、35、36、37、38)，在微带贴片的每个直角边上分布有两个相互平行的所述矩形槽，并且每个矩形槽的长度方向垂直于所对应的直角边，矩形槽从对应的直角边朝向微带贴片内的方向延伸。
进一步优选的方案，圆极化微带天线的工作频率为300MHz-6000MHz，对应的自由空间波长为50mm-1000mm，对应的介质中波长约为25mm-500mm。作为优选的，所述介质基板为正方形环氧树脂基板，环氧树脂基板的边长为所述介质中波长的0.4倍，即环氧树脂基板的边长为10mm-200mm，环氧树脂基板的厚度为1mm-3mm。所述金属地板为与所述环氧树脂基板的边长相同的正方形金属地板。所述微带贴片的边长为所述介质中波长的0.3倍，即微带贴片的边长为7.5mm-150mm；将正方形微带贴片的两个相对的直角进行切角处理后形成两个尺寸完全相同的等腰直角三角形切角，等腰直角三角形切角的腰长为微带贴片边长的八分之一，即所切除的等腰直角三角形的腰长为1mm-20mm。所述多个L形槽的尺寸完全相同，每个L形槽长度为微带贴片边长的0.45倍，即L形槽长度为3.5mm-70mm，L形槽的槽宽度为1mm-5mm；所述多个矩形槽的尺寸完全相同，每个矩形槽的边长为微带贴片边长的0.2倍，即矩形槽的边长为1.5-40mm，矩形槽的宽度为1mm-5mm。
在上述方案的基础上，提供一种较为具体尺寸参数的实施例方案，本实施的复合开槽结构的圆极化天线：环氧树脂基板的边长(即还未进行切角处理时的边长)为30mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；金属地板边长为30mm，厚度为0.018mm；微带贴片的边长为24mm，厚度为0.018mm；等腰直角三角形切角的腰长为2.75mm；每个所述L形槽尺寸完全相同，L形槽的长度为10mm，槽宽度为1mm；每个所述矩形槽的边长为5.2mm，槽宽度为1mm。
作为比对的实例，如图3所示，为一种无复合开槽结构的圆极化微带天线，其环氧树脂基板1、微带贴片3、金属地板2以及同轴馈电端口4之间的设置构造关系均相同，区别在于其微带贴片上无复合开槽结构，此外，其具体尺寸为：正方形环氧树脂基板的边长为46mm，厚度为1.6mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.02；金属地板边长为46mm，厚度为0.018mm；微带贴片边长(未切除切角时的边长)为40mm，厚度为0.018mm；三角形切角为等腰直角三角形，其腰长为4.5mm。
将本发明所提供的圆极化天线与比对实例的天线进行对比，可以看出，本发明的实施例的微带贴片的面积仅为比对实例微带贴片面积的36％。
附图4-6为本发明实施例的复合开槽结构的圆极化天线与比对的圆极化天线的性能参数测试对比结果，附图中，设计1为比对的圆极化天线的测试结果，设计2为本发明的复合开槽结构的圆极化天线的测试结果，具体的：
参考图4所示，为本发明实施例和比对的圆极化微带天线的仿真反射系数参数对比，以反射系数小于-10dB为标准，本发明实施例的阻抗带宽达到70MHz，远远高于现有卫星导航系统的带宽。而比对实例的阻抗带宽为80MHz，略高一点。
参考图5所示，为本发明实施例和比对的圆极化微带天性仿真方向性系数对比。本发明实施例的方向性系数平均为6.75dBi，具有良好的方向性；比对实例方向性系数平均为6.90dBi，比本发明实施例高约0.15dBi。
参考图6所示，为本发明实施例和比对的圆极化微带天线的仿真圆极化轴比对比。以轴比小于3dB为标准，本发明实施例的轴比带宽为11MHz，远高于现有卫星导航系统的带宽。比对实例的轴比带宽约为18MHz，相对要高一些。
综上所述，从天线性能来看，本发明的实施实例具有优良的阻抗带宽和方向性系数，圆极化轴比特性也完全能够满足卫星导航系统的应用需求。与比对实例的性能比较发现，本发明的大部分性能参数与之接近，但微带贴片尺寸仅为比对实例的36％，具有很大的优势。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“根部”、“内”、“外”、“外围”、“里侧”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。
在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种复合开槽结构的圆极化微带天线，包括介质基板，以及分别设置于所述介质基板的上表面和下表面的微带贴片和金属地板，所述介质基板上还设置有同轴馈电端口，所述同轴馈电端口的外导体与金属地板连接，所述同轴馈电端口的内导体穿过介质基板与微带贴片相连进行馈电，其特征在于：所述微带贴片为将正方形微带贴片的两个相对的直角进行三角形切角处理而成，所述微带贴片上开设有多个L形槽和矩形槽，所述多个L形槽和矩形槽均形成以微带贴片的中心对称布置的结构；所述多个L形槽的尺寸完全相同，每个L形槽长度为微带贴片边长的0.45倍，L形槽的槽宽度为1mm-5mm；所述多个矩形槽的尺寸完全相同，每个矩形槽的长度为微带贴片边长的0.2倍，矩形槽的槽宽度为1mm-5mm；所述圆极化微带天线的工作频率为300MHz-6000MHz，对应的自由空间波长为50mm-1000mm，对应的介质中波长约为25mm-500mm；所述介质基板为正方形环氧树脂基板，环氧树脂基板的边长为所述介质中波长的0.4倍，环氧树脂基板的厚度为1mm-3mm；所述微带贴片的边长为所述介质中波长的0.3倍。
2.根据权利要求1所述的复合开槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述L形槽的数量为四个，四个L形槽的尺寸均相同，并且相邻两个L形槽之间均形成轴对称分布。
3.根据权利要求1所述的复合开槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述微带贴片上共开设有八个相同尺寸的矩形槽，在微带贴片的每个直角边上分布有两个矩形槽。
4.根据权利要求1所述的复合开槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：所述金属地板为与所述环氧树脂基板的边长相同的正方形金属地板。
5.根据权利要求1所述的复合开槽结构的圆极化微带天线，其特征在于：将正方形微带贴片的两个相对的直角进行切角处理后形成两个尺寸相同的等腰直角三角形切角，等腰直角三角形切角的腰长为微带贴片边长的八分之一。
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