CN110165408A - 一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线 - Google Patents

一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，包括四副圆极化单元天线和加载于单元天线间的电磁超材料隔离结构，四副圆极化单元天线与电磁超材料隔离结构均印制在同一介质基板上。每副单元天线包括一个方形贴片及在其四个角加载的不同半径的圆形贴片；所述电磁超材料隔离结构由金属微带、介质、金属通孔以及金属地组成，金属通孔穿过介质基板，连接金属微带与金属地。本发明的工作频带为1256MHz到1281MHz，完全覆盖北斗B3频段。由于电磁超材料隔离结构具有等效的负磁导率，可以有效抑制单元天线间的表面波耦合，因此本发明的阵列天线在北斗B3频段内具有较高的隔离度。

Description

一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线
技术领域
本发明属于天线和电磁超材料技术领域，涉及一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线。
背景技术
就目前的卫星导航系统，可以在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度和时间信息，其应用领域非常广泛，包括航空、移动通信、测量测绘、航海渔业、交通运输等，为人类的生产生活提供了极大的便利，为社会带来了巨大的经济效益。然而由于卫星信号落地功率十分微弱，卫星导航接收机极易受到外界信号的干扰，导致接收机无法完成精确定位的功能，因此卫星导航接收机的抗干扰技术是卫星导航技术发展的重要内容。为保证卫星导航接收机在复杂的电磁环境下能够正常工作，通常采用抗干扰阵列天线来消除干扰信号，保留卫星导航信号，从而提高其抗干扰能力。
近年来，随着阵列搭载平台的小型化趋势，阵列天线也必须减小尺寸以集成在狭小的空间内。这导致单元天线间距越来越小，从而造成单元天线之间产生强烈的电磁耦合。单元天线间的互耦会影响天线的阻抗特性和辐射特性，可能导致天线阻抗失配、辐射效率下降、引起方向图畸变等问题，从而恶化整个阵列天线的性能。为了尽可能减小互耦对天线系统性能的影响，研究如何降低单元天线间的电磁耦合，使单元天线间保持较高的隔离度，成为卫星导航抗干扰天线的关键技术。
电磁超材料具有自然环境材料不具有的特殊电磁特性，是近年来电磁学领域的研究热点。通过人为设计结构，改变物理参数，可以实现负的等效介电常数或磁导率，从而控制电磁波的传播或散射。当等效磁导率或等效介电常数为负时，称为单负材料，此时电磁波不能传播，因此可以利用该特性，构造相应的电磁超材料结构以抑制单元天线间的电磁波传播，进而达到提高隔离度的目的。目前电磁超材料已在航空、通信、军事等诸多领域得到了广泛应用，具有非常广泛的工程应用前景。
北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星导航系统。在我国，北斗卫星导航系统已在军事领域中获得了极广泛的应用，并逐渐从军用转向民用，例如定位、气象、航空等，为我国的经济建设和军事建设起到了推动作用。为使该卫星系统的收发设备能够抵抗电磁干扰，在复杂的电磁环境中正常工作，抗干扰天线已成为其关键保障。随着应用环境对小型化阵列平台的要求，实现高隔离度的北斗阵列天线成为了保证卫星系统正常工作的必要保障。
目前提高阵列天线隔离度的方法有加载电磁带隙结构（EBG），但由于EBG结构本身尺寸较大，导致阵列平台较大，同时具有加工不易、成本较高的缺点；也有研究刻蚀缺陷地结构（DGS），该方法通过在金属地上刻蚀缝隙使能量在缺陷地结构处产生谐振，所以具有能量泄露的缺点；另外也有使用馈电网络进行去耦的设计方法，但缺点在于在设计中需要大量的计算。因此，综合已经公开的高隔离度北斗阵列天线，有必要基于电磁超材料，研究设计具有圆极化辐射特性良好、单元天线隔离度高、制作方便、成本低廉的新型北斗阵列天线。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，该阵列天线的单元天线之间加载有的电磁超材料隔离结构，工作于北斗B3频段，能够抑制单元天线间的表面波传播，降低单元天线之间的表面波耦合，进而提高单元天线之间的隔离度，可以有效克服传统技术中的技术缺陷。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：包括印制在同一介质基板上的n副圆极化单元天线和n个电磁超材料隔离结构；n副单元天线以介质基板中心为中心呈环形对称分布；n副单元天线以顺时针方向依次顺时针旋转360/n度，或以逆时针方向依次逆时针旋转360/n度，使得相邻的两个单元天线相差360/n度；所述n个电磁超材料隔离结构与n副单元天线相间布置，以介质基板中心为中心呈环形对称分布；其中，n≥2。
所述单元天线包括印制于介质基板上表面的微带辐射贴片和通过缝隙耦合对微带辐射贴片馈电的同轴探针；所述缝隙为圆环形缝隙。因此具体是，同轴探针通过一个圆环形缝隙对微带辐射贴片耦合馈电，等效的耦合电容用于抵消同轴探针的寄生电感效应，从而改善阻抗匹配。
所述微带辐射贴片的主体是方形微带贴片，在方形微带贴片的四个角处分别加载有不同半径的圆形微带贴片，形成微扰结构，用于激励起两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式，从而实现圆极化辐射。
所述电磁超材料隔离结构包括m个等间距的电磁超材料隔离单元；所述电磁超材料隔离单元包括金属微带、介质、金属通孔以及金属地，金属通孔穿过介质，连接金属微带与金属地；其中，m≥1，m的取值根据不同的隔离度要求设置。
所述介质基板是单层正方形介质基板。
本发明的工作频段为北斗B3频段。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1. 本发明所设计的单元天线采用单点馈电和顶角加载不同半径的圆形贴片的方法实现右旋圆极化辐射特性，具有轴比波束宽度宽、体积紧凑、结构简单、成本低廉的优点。
2.本发明所设计的单元天线采用缝隙耦合馈电技术，利用圆环形缝隙的等效电容抵消同轴馈电探针产生的寄生电感，从而改善阻抗匹配特性。
3.本发明在单元天线之间加载有电磁超材料隔离单元，电磁超材料具有等效的负磁导率，能够抑制单元天线间的表面波传播，降低单元天线之间的表面波耦合，提高单元天线之间的隔离度，有望增强北斗阵列天线的抗干扰性能。
因此，本发明具有圆极化辐射特性良好、单元天线隔离度高、制作方便、成本低廉的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述单元天线的结构示意图。
图3是本发明所述电磁超材料隔离单元的结构示意图。
图4是本发明实施例电磁超材料隔离结构散射参数的仿真结果。
图5是本发明实施例四副单元天线回波损耗的仿真结果。
图6是本发明实施例四副单元天线法向轴比的仿真结果。
图7是本发明实施例四副单元天线法向增益的仿真结果。
图8是本发明实施例四副单元天线增益方向图的仿真结果。
图9是本发明实施例未加载电磁超材料时，单元天线间隔离度的仿真结果。
图10是本发明实施例加载电磁超材料时，单元天线间隔离度的仿真结果。
其中，附图标记为：A1－A4四个单元天线，5电磁超材料隔离单元，54金属地，55金属通孔，51圆形微带贴片、52微带线，53矩形微带贴片，6介质基板，11正方形微带贴片，12圆形微带贴片，同轴探针13。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明实施方式不限于此。
本发明主要是涉及基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其单元天线和电磁超材料隔离结构采用印制电路板工艺制作。本发明的核心思想是通过在阵列天线的单元天线之间加载电磁超材料隔离结构，利用电磁超材料对表面电磁波的抑制作用，从而降低单元天线之间的电磁耦合，提高单元天线之间的隔离度，增强北斗阵列天线的抗干扰性能。
一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，包括印制在同一介质基板上的n副圆极化单元天线和n个电磁超材料隔离结构；n副单元天线以介质基板中心为中心呈环形对称分布；n副单元天线以顺时针方向依次顺时针旋转360/n度，或以逆时针方向依次逆时针旋转360/n度，使得相邻的两个单元天线相差360/n度；所述n个电磁超材料隔离结构与n副单元天线相间布置，以介质基板中心为中心呈环形对称分布；其中，n≥2。所述电磁超材料隔离结构包括m个等间距的电磁超材料隔离单元；所述电磁超材料隔离单元包括金属微带、介质、金属通孔以及金属地，金属通孔穿过介质，连接金属微带与金属地；其中，m≥1，m的取值根据不同的隔离度要求设置。
如图1所示，根据上述方案，本实施例设计了一方形介质基板6，四副右旋圆极化微带单元天线A1、A2、A3和A4，和四组电磁超材料隔离结构5。四副单元天线A1、A2、A3和A4相对于介质基板6中心呈对称分布，分别位于介质基板6的两条对角线上，并且每副单元天线以顺时针方向依次顺时针旋转90度。四组电磁超材料隔离结构5分别位于介质基板6垂直的两条轴线上。介质基板6为边长L1=200mm的正方形，相对介电常数为3.4，损耗角正切为0.0027，厚度h=6mm。每组电磁超材料隔离结构5设计有三个等间距的电磁超材料隔离单元。
如图2所示，所述单元天线包括印制于介质基板6上表面的微带辐射贴片以及通过缝隙耦合对微带辐射贴片馈电的同轴探针13。微带辐射贴片的主体是正方形微带贴片11，和加载于正方形微带贴片11的四个角处的不同半径的圆形微带贴片12。正方形微带贴片11的边长为L2=53mm，四个圆形微带贴片12的半径分别为r1=6.4mm，r2=5.7mm，r3=4mm，r4=3.3mm，圆环缝隙宽度为g1=0.2mm。本实施例中，r1=6.4mm的圆形微带贴片均最靠近介质基板6的中心。
图2中，较优的是将四个单元天线的r1=6.4mm的圆形微带贴片均对着介质基板6的中心。
本实施例中，所述电磁超材料隔离结构包括三个等间距的电磁超材料隔离单元。如图3所示，所述电磁超材料隔离单元包括印制于介质基板6上表面的微带结构、印制于介质基板6下表面的金属地54以及穿过介质基板6的两个金属通孔55。该微带结构包括位于两端对称的圆形微带贴片51、位于中间的两条对称的矩形微带贴片53、以及两条分别连接圆形微带贴片51与矩形微带贴片53之间的微带线52。其中，金属通孔55对应圆形微带贴片51的圆心，连接圆形微带贴片51和金属地54。该微带结构能够针对这种阵列起到提高隔离的作用，且加工简单，效果明显。
本实施例中：圆形微带贴片51的半径为d5=1.4mm；微带线52的长为L3=21.5mm，宽为W3=0.5mm；矩形微带贴片53的长为L4=4mm，宽为W4=0.4mm，缝隙宽度为g2=0.2mm；金属通孔55的半径为d6=0.8mm。
本发明的工作原理如下：单元天线的主体是正方形微带辐射贴片，四个顶角加载不同半径的圆形微带贴片，形成微扰结构，用于激励起两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式，从而实现圆极化辐射。电磁超材料隔离结构的原理是电磁超材料具有等效的负磁导率，作为单负材料可以抑制电磁波的传播，抑制了阵列天线中单元天线间的表面波耦合，从而提高了单元天线之间的隔离度。
图4是本发明实施例电磁超材料隔离结构散射参数的仿真结果，在北斗B3频段，即1268.52±10.23MHz范围内，具有传输零点，说明该结构在此处发生强烈的电磁谐振，从而可以抑制电磁波的传播，通过电磁参数反演，确定其具有负等效磁导率特性。图5是本发明实施例四副单元天线回波损耗的仿真结果，-10dB阻抗带宽为1256MHz~1290MHz，完全覆盖了北斗B3频段。图6是本发明实施例四副单元天线法向轴比的仿真结果，在北斗B3频段内，各单元天线法向轴比小于6dB，满足指标要求。图7是本发明实施例四副单元天线法向增益的仿真结果，各单元天线的法向增益最大达到3dBic，增益最低不小于0dBic。图8是本发明实施例四副单元天线增益方向图的仿真结果，在中心频率1268.52MHz处，各单元天线均具有较好的右旋圆极化特性。图9和图10分别是本发明实施例未加载和加载电磁超材料隔离结构的情况下，单元天线间隔离度的仿真结果。加载电磁超材料隔离结构后，相邻单元天线的隔离度最大提升了13dB，对角单元天线间的隔离度最大提升8dB。
上述实施例是本发明的优选实施方式，但不能认定本发明的实施方式仅限于此，本领域普通技术人员在不脱离本发明精神实质与技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，都应视为属于由本发明所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：包括印制在同一介质基板上的n副圆极化单元天线和n个电磁超材料隔离结构；n副单元天线以介质基板中心为中心呈环形对称分布；n副单元天线以顺时针方向依次顺时针旋转360/n度，或以逆时针方向依次逆时针旋转360/n度，使得相邻的两个单元天线相差360/n度；所述n个电磁超材料隔离结构与n副单元天线相间布置，以介质基板中心为中心呈环形对称分布；其中，n≥2。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：所述单元天线包括印制于介质基板上表面的微带辐射贴片和通过缝隙耦合对微带辐射贴片馈电的同轴探针；所述缝隙为圆环形缝隙，所述同轴探针通过圆环形缝隙对微带辐射贴片耦合馈电，等效的耦合电容用于抵消同轴探针的寄生电感效应。
3.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：所述微带辐射贴片包括方形微带贴片和加载于在方形微带贴片的四个角处的不同半径的圆形微带贴片；所述方形微带贴片和四个圆形微带贴片形成微扰结构，用于激励起两个空间上正交、幅度上相等、相位上相差90°的简并模式。
4.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：所述电磁超材料隔离结构包括m个等间距的电磁超材料隔离单元；所述电磁超材料隔离单元包括金属微带、介质、金属通孔以及金属地，金属通孔穿过介质，连接金属微带与金属地；其中，m≥1，m的取值根据不同的隔离度要求设置。
5.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：所述介质基板是单层正方形介质基板。
6.根据权利要求1所述的基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线，其特征在于：所述基于电磁超材料的高隔离度北斗阵列天线的工作频段为北斗B3频段。
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