CN111430908B - 一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，该天线通过宽带馈电网络对辐射贴片馈电获得宽带圆极化特性。该天线利用辐射贴片与寄生单元以及金属柱的耦合，在金属柱上引入竖直电流，改变了远区电场分量的幅值与相位，获得宽波束特性。该天线带宽覆盖常用的四大卫星导航系统工作频点，可以应用于多模卫星导航接收机。

Description

一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，属于天线技术领域。
背景技术
随着各大卫星导航系统的快速发展，导航终端不仅需要能够接收各大导航系统的信号，而且还要尽可能捕获单个卫星导航系统的卫星信号，这就要求天线能够实现宽带、宽波束等性能。微带天线具有体积小、重量轻、易共形等优点，且易于实现圆极化，所以在卫星导航领域受到了广泛关注。微带天线拓展带宽的方法通常有附加寄生单元、提高天线剖面、使用高介电常数的介质板等，这些方法虽然都能实现宽带特性，但天线带宽不能覆盖常用的四大卫星导航系统；微带天线拓展轴比波束宽度的方法有多层堆叠结构、引入环形电流和增大有效辐射面积等，但大多都是针对单频点天线。目前，很少有微带天线同时实现宽带宽波束的性能。
多馈法能够实现较宽的天线带宽，天线引入竖直电流可以改变远区电场分量的幅值及相位，同时实现宽带宽波束特性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，相比于一般的卫星导航微带天线，该天线具有更宽的带宽、更大的轴比波束宽度、更低的交叉极化电平，能更好的应用于全球卫星导航接收机。
本发明的目的是这样实现的：由上至下包括五层介质，第一层、第三层、第五层为介质基板，第一层介质基板上端面印制有环状寄生单元、下端面印制有八边形寄生单元，第三层介质基板的上端面设置有八边形主贴片和寄生单元，且所述寄生单元有四个分别设置在第三层介质基板的四个角上，第五层介质基板的上端面印制有反射板、下端面印制有馈电网络，第二层、第四层为填充在内的泡沫，馈电网络与八边形主贴片设置有四个同轴探针，寄生单元与反射板之间设置有四个金属柱。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述的八边形寄生单元位于八边形主贴片正上方，且边长小于八边形主贴片边长。
2.所述的八边形主贴片被与馈电网络连接的同轴探针所激励，第三层介质基板的上端面的寄生单元被八边形主贴片利用临近耦合所激励，所述的金属柱被八边形主贴片与寄生单元耦合所激励。
3.所述的反射板边长小于第五层介质基板的边长。
4.第一层、第三层、第五层为介质基板的边长相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的天线属于微带贴片天线，可应用于多模全球卫星导航接收机。
(1)该天线以微带天线为基础进行设计，天线集馈电、辐射为一体，结构简单，利用印刷电路工艺进行生产，具有重量轻、精度高、成本低等优点。
(2)该天线采用四馈点馈电技术，实现了天线工作带宽的拓展。
(3)该天线采用临近耦合技术，引入竖直电流，拓展了天线轴比波束宽度。
(4)该天线采用临近耦合技术，将拓展带宽及波束宽度的方法结合在一起，实现了宽带宽波束特性。
附图说明
图1是本发明提供的宽带宽轴比波束圆极化微带天线俯视图。
图2是本发明提供的宽带宽轴比波束圆极化微带天线侧视图。
图3为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线回波损耗与频率的关系图。
图4为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线轴比与频率的关系图。
图5为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.561GHz频点处的轴比波束宽度图，天线E面(phi＝0°)3dB轴比波束范围是-35°到+71°，H面(phi＝90°)3dB轴比波束范围是-84°到+25°。
图6为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.575GHz频点处的轴比波束宽度图，天线E面3dB轴比波束范围是-31°到+71°，H面3dB轴比波束范围是-87°到+24°。
图7为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.602GHz频点处的轴比波束宽度图，天线E面3dB轴比波束范围是-48°到+55°，H面3dB轴比波束范围是-91°到+21°。
图8为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.561GHz频点处的天线方向图，其中GainRHCP代表右旋圆极化的增益曲线，GainLHCP代表左旋圆极化的增益曲线。天线E面和H面的交叉极化都在15dB以上。
图9为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.575GHz频点处的天线方向图，天线E面和H面的交叉极化都在15dB以上。
图10为本发明实施例提供的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线1.602GHz频点处的天线方向图，天线E面和H面的交叉极化都在15dB以上。
图11为本发明实施例提供的一种宽带宽波束圆极化微带天线增益与频率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图11，本发明的天线采用微带天线技术获得低成本特性，采用四馈电点技术获得宽带特性，采用时序馈电技术实现圆极化，采用临近耦合技术获得宽轴比波束特性，该天线包括5层印刷电路板、4个同轴探针以及4个金属柱。
所述的5层印刷电路板其特征在于介质2、4层为Rohacell HF51泡沫，介质1、3、5层为Rogers 4350B介质板，介质基板1顶层印制有环状寄生单元6，介质基板1底层印制有八边形寄生单元7，介质基板3顶层是八边形主贴片8以及寄生单元9，介质基板5顶层印制有反射板10，介质基板5底层印制有馈电网络11。
所述的八边形寄生单元7位于八边形主贴片8正上方，边长小于八边形主贴片8。所述的八边形主贴片8被与馈电网络11连接的同轴探针12所激励。所述的寄生单元9被八边形主贴片8利用临近耦合所激励。所述的金属柱13被八边形主贴片8与寄生单元9耦合所激励。
所述的反射板10边长略小于介质基板(印刷电路板)5。所述的三层印刷电路板1、3、5边长相同。所述的反射板包含四个圆孔。所述的馈电网络11由三个威尔金森功分器组成。
所述的4个同轴探针12连接馈电网络11与八边形主贴片8，并与反射板10隔离，所述的4个金属柱13连接寄生单元9与反射板10。八边形主辐射贴片8由方形贴片切角所得，切角尺寸30mm。寄生单元9边长为25mm。反射板10尺寸110mm×110mm。八边形寄生单元7由方形贴片切角所得，切角尺寸21mm。环状寄生单元6环宽2mm，内环边长61mm。四个金属柱13半径为5mm，与介质3边缘相距17mm。介质1、3、5尺寸为120mm×120mm。
下面结合具体数值给出本发明的具体实施例：
本实施例提供一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，中心频率为1.46GHz，其结构如图1、2所示，主要包括：
介质基板1，该基板采用介电常数为4.4的FR-4，厚度为0.8mm，介质基板顶层是印制有环状寄生单元6，底部是印制有八边形寄生单元7。
介质基板3，该基板采用介电常数为4.4的FR-4，厚度为0.8mm，介质基板顶层是印制有八边形主贴片8及寄生单元9。
介质基板5，该基板采用介电常数为3.66的Rogers 4350B，厚度为0.508mm，介质基板顶层是印制有反射板10，底部印制有馈点网络11。同轴探针12穿过介质基板3、5连接馈电网络11与八边形主贴片8，金属柱13穿过介质基板3连接反射板10与寄生单元9。
介质基板2，该基板采用介电常数为1.07的Rohacell HF51泡沫，厚度为4mm。
介质基板4，该基板采用介电常数为1.07的Rohacell HF51泡沫，厚度为7mm。
如图1、2所示，本发明实施方式提供的微带天线可在长120mm宽120mm高13.108mm的尺寸内,实现阻抗带宽64％(1.1-2.1GHz)以及轴比带宽40％(1.16-1.74GHz)，天线在1.561GHz时3dB轴比波束宽度为106°，在1.575GHz的3dB轴比波束宽度为102°，在1.602GHz的3dB轴比波束宽度为103°。峰值增益为7.5dB,大于3dB的增益值带宽为36.4％(1.19GHz-1.72GHz)。
综上，本发明公开了一种新型的用于多模全球卫星导航系统的宽带宽轴比波束圆极化微带接收天线。该天线通过宽带馈电网络对辐射贴片馈电获得宽带圆极化特性。该天线利用辐射贴片与寄生单元以及金属柱的耦合，在金属柱上引入竖直电流，改变了远区电场分量的幅值与相位，获得宽波束特性。该天线带宽覆盖常用的四大卫星导航系统工作频点，可以应用于多模卫星导航接收机。

Claims (6)

1.一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：由上至下包括五层介质，第一层、第三层、第五层为介质基板，第一层介质基板上端面印制有环状寄生单元、下端面印制有八边形寄生单元，第三层介质基板的上端面设置有八边形主贴片和寄生单元，且第三层介质基板上的寄生单元有四个，分别设置在第三层介质基板的四个角上，第五层介质基板的上端面印制有反射板、下端面印制有馈电网络，第二层、第四层为填充在内的泡沫，馈电网络与八边形主贴片之间设置有四个同轴探针，第三层介质基板上的四个寄生单元与反射板之间设置有四个金属柱。
2.根据权利要求1所述的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：所述的八边形寄生单元位于八边形主贴片正上方，且边长小于八边形主贴片边长。
3.根据权利要求1或2所述的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：所述的八边形主贴片被与馈电网络连接的同轴探针所激励，第三层介质基板的上端面的寄生单元被八边形主贴片利用临近耦合所激励，所述的金属柱被八边形主贴片与第三层介质基板上的寄生单元耦合所激励。
4.根据权利要求3所述的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：所述的反射板边长小于第五层介质基板的边长。
5.根据权利要求1或2所述的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：第一层、第三层、第五层介质基板的边长相同。
6.根据权利要求3所述的一种宽带宽轴比波束圆极化微带天线，其特征在于：第一层、第三层、第五层介质基板的边长相同。
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