CN112003022A - 一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线，包括介质基板、接地板和辐射单元，所述辐射单元包括多个辐射贴片环，所述辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，所述介质基板上设有馈电口。通过内外矩形金属贴片形成嵌套模式并且关于中心馈电口形成中心对称，且采用同轴馈电的微带天线结构，并在合适的位置形成开口，通过中心馈电使矩形贴片形成等幅且相位相差90°正交馈电，内外辐射金属环分别对应了北斗的B2和B1频段的谐振频点，从而达到双频圆极化特性。本发明的微带天线尺寸较小、模型简单、易于理解和加工且应用领域广泛。

Description

一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其涉及一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线。
背景技术
随着无线通信技术的不断发展，卫星导航技术的应用领域也变的更为广泛，能够广泛地应用于我们的社会生活，卫星导航利用的无线电波导航定位技术为我们提供了高精度的定位导航功能，给人们的生活带来了极大的便利。
由于卫星导航信号是以圆极化的方式进行辐射的，所以终端的天线也应该满足圆极化的性能。传统的卫星导航天线常通过四臂螺旋天线以实现圆极化。为了让四臂螺旋天线的对不同的导航系统有着更好的兼容性，人们又对其进行了大量研究，并且设计出了很多性能优良的天线结构，例如多频折叠旋臂结构和印制式旋臂结构等。虽然四臂螺旋天线具有良好的匹配阻抗体型以及广角圆极化特性，但是其体积比较大，结构复杂，不易加工，增加了馈电网络的难度，使其不能用于某些微型终端设备上。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种性能优异、应用广泛且满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线。
技术方案：本发明的满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线，包括介质基板、接地板和辐射单元，所述辐射单元包括多个辐射贴片环，所述辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，所述介质基板上设有馈电口。
优选地，所述辐射贴片环的数量为2个。
优选地，所述辐射贴片环的位置关于馈电口中心对称。
优选地，所述馈电口位于介质基板的中心。
优选地，所述介质基板包括介质常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度h＝1.6mm、介质板的尺寸为103mm×90mm的FR4_epoxy。
优选地，所述接地板为金属接地板。
优选地，所述接地板的尺寸与介质基板相同。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明通过内外矩形金属贴片形成嵌套模式并且关于中心馈电口形成中心对称，且采用同轴馈电的微带天线结构，并在合适的位置形成开口，通过中心馈电使矩形贴片形成等幅且相位相差90°正交馈电，内外辐射金属环分别对应了北斗的B2和B1频段的谐振频点，从而达到双频圆极化特性。
(2)本发明的微带天线尺寸较小、模型简单、易于理解和加工且应用领域广泛。
附图说明
图1为本发明双频圆极化微带天线的主视图；
图2为本发明双频圆极化微带天线的俯视图；
图3为本发明双频圆极化微带天线的侧视图；
图4为本发明双频圆极化微带天线在1.21GHz和1.56GHz的回波损耗图；
图5为本发明双频圆极化微带天线在1.21GHz和1.56GHz的VSWR图；
图6为本发明双频圆极化微带天线在1.21GHz和1.56GHz的输入阻抗图；
图7为本发明双频圆极化微带天线在1.21GHz和1.56GHz的AR带宽图；
图8为本发明双频圆极化微带天线E面增益方向图；
图9为本发明双频圆极化微带天线H面增益方向图；
图10为本发明双频圆极化微带天线3D方向增益图；
图11为本发明双频圆极化微带天线的工作示意图；
图12为本发明双频圆极化微带天线D的改变对回波损耗S11的变化曲线图；
图13为本发明双频圆极化微带天线L1的变化对回拨损耗S11的变化曲线；
图14为本发明双频圆极化微带天线k4的变化对轴比AR的变化曲线；
图15为本发明双频圆极化微带天线k4的位置对轴比AR的变化曲线；
图16为本发明双频圆极化微带天线L4的变化对轴比AR的变化曲线；
图17为本发明双频圆极化微带天线L4的位置对轴比AR的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
发明人研究发现，由于卫星导航信号是以圆极化的方式进行辐射的，所以终端的天线也应该满足圆极化的性能。一般来说，天线使用螺旋天线结构、微带天线结构或者是交叉对称振子天线结构的话比较容易实现圆极化的性能。其中，微带天线和螺旋天线用的比较多，因为这两种天线都拥有良好的环境适应能力，可作为导航系统的常用天线。
随着微波集成电路技术逐渐成熟，以及低损耗介质材料的发现，微带天线得到新的发展。科学家们制出了实用型的微带天线，结合同轴馈电技术设计了一款结构简单的新型圆极化天线，之后大量性能优良的微带天线被设计了出来，例如口径耦合、共面波导馈电和阵列式新型天线，成为了通信系统的中流砥柱。现代随着通信系统的融合发展，微带天线成为了天线理论与设计中极为重要的一部分，越来越多的应用于卫星导航系统中。
本发明设计的北斗卫星导航天线，以传统的微带天线为基础，介质板上层为两个内外嵌套并且关于中心对称的辐射贴片环，内外辐射金属环分别对应了北斗的B2和B1频段的谐振频点，使内外金属环的开口关于中心斜对称来实现天线的圆极化特性，采用同轴底馈进行馈电，从而实现北斗卫星导航天线的基础工作频段。
如图1至图3所示，本发明的满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线为三层，包括介质基板、接地板和辐射单元，辐射单元包括多个辐射贴片环，辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，传输线的两端断开形成了开路，开路端的电场可以分解为相对于接地板的垂直和水平两个电场分量，电场在垂直方向上的分量方向相反，因此在远场中辐射效果可以相互抵消。而电场在水平方向上的分量方向相同，所以天线在远场的辐射将会相互叠加，并且可以等效为同相激励的两个缝隙的辐射。
介质基板上设有馈电口，馈电在实际设计中应使用同轴线来进行馈电，使用圆形端口进行馈电。
作为进一步优选，辐射贴片环的数量为2个，且关于中心馈电口形成中心对称，该天线内外矩形金属贴片形成嵌套模式并且关于中心馈电口形成中心对称，且采用同轴馈电的微带天线结构，通过内外金属环的开口关于中心斜对称来实现了北斗二代B1和B2频段内圆极化，双频特性则是根据内外里两个对称环形贴片来实现的，。天线在合适的位置形成开口，通过中心馈电使矩形贴片形成等幅且相位相差90°正交馈电，内外辐射金属环分别对应了北斗的B2和B1频段的谐振频点，从而达到双频圆极化特性。
天线在1.19GHz-1.22GHz以及1.55GHz-1.57GHz频段内的回拨损耗都小于-10dB，拥有良好的阻抗匹配，并且覆盖了北斗导航系统B1和B2所对应的频段。在北斗卫星导航系统的B1和B2频段内，天线的VSWR均小于2，并且在中心频点附近无线接近于1。设计的天线在低频时输入阻抗为(48.73-j2.39)Ω，高频时为(48.88-j3.2)Ω，与预想的结果一致。在E平面，从方向图可以看出来，天线在theta＝90°，增益最好，达到了-6dB；在-180°时增益较差，在-18dB左右。在H平面，从方向图上可以看出来，天线在phi＝13°以及187°时增益最差，在-18dB左右；在phi＝127°以及305°时增益最大，在-14dB左右。从天线的3D方向增益图上我们可以看出来，天线是沿着Z轴的正方向、负方向进行辐射的，极化仰角约为±15°。天线频率在1.205GHz-1.209GHz处的轴比小于3dB，圆极化程度良好；天线频率在1.561GHz处的轴比为1.3dB，圆极化程度非常理想，并且3dB的轴比带宽覆盖1.527Ghz-1.569Ghz，带宽高达40MHz左右。因此该天线在性能上很好的满足了天线的基本要求，为研究具有高性能的双频圆极化天线具有实际应用意义。
通过仿真结果图来进一步说明天线的具体的性能参数，如图4所示，回波损耗S11是天线的重要参数之一，回波损耗是由于阻抗不匹配产生的反射损耗，所以S11间接反映了天线的阻抗匹配程度。在工程之中，一般认为S11≤-10dB天线就拥有良好的阻抗匹配程度，由上图可知，天线在1.19GHz-1.22GHz以及1.55GHz-1.57GHz频段内的回拨损耗都小于-10dB，拥有良好的阻抗匹配，并且覆盖了北斗导航系统B1和B2所对应的频段。
图5为本次仿真数据所得的VSWR图，驻波比同样也是反映天线阻抗匹配的参数之一，当反射系数等于0时，驻波比为1，此时天线与馈线完美匹配，高频能量被全部辐射了出去，没有能量的反射损耗，天线得到了最大功率。驻波比越大，天线效率越差。在工程之中，一般要求天线的VSWR＜2，由图5可知在北斗卫星导航系统的B1和B2频段内，天线的VSWR均小于2，并且在中心频点附近无线接近于1，说明天线的阻抗匹配十分优秀。
图6为为仿真得到的输入阻抗，介电常数为4.4、损耗角正切为0.02，厚度为1.6mm的介质板的特性阻抗约50Ω，根据S11以及VSWR图，可以看出设计的天线有着良好的阻抗匹配，可以验证天线的性能，查看一下天线的输入阻抗。由图6可知该天线在低频时输入阻抗为(48.73-j2.39)Ω，高频时为(48.88-j3.2)Ω，和预想结果基本一致。
作为一款双频卫星导航天线，轴比AR是衡量其圆极化性能最重要的参数，在北斗二代的双频点附近应满足于AR≤3dB，图8为最终结果的轴比图。由图可以看出，天线频率在1.205GHz-1.209GHz处的轴比接近于3dB，圆极化程度一般；天线频率在1.561GHz处的轴比为1.3dB，圆极化程度非常理想，并且3dB的轴比带宽覆盖1.527Ghz-1.569Ghz，带宽高达40MHz左右。
方向图是方向性函数的图形表示，它可以清楚的描绘天线辐射特性随着空间方向坐标变化的关系，在衡量天性的性能图中尤为重要。从天线方向图中可以看出天线的多项性能参数。在Ansys HFSS处理后可以方便地看到天线的2D平面图和3D立体图。图8、9、10分别为天线的E面、H面以及3D方向增益图。最终该天线仿真表明天线拥有良好的阻抗匹配，并且阻抗带宽很好的覆盖了设计要求的双频频点，尺寸相对于一般的导航天线也比较小，天线模型简单、易于理解和加工，可用于小型手持定位电子设备中，也可以用于车载、船载导航系统之中。天线在高频点附近的轴比也非常完美，轴比带宽比较宽。
表1北斗卫星导航天线的参数(单位：mm)
Figure BDA0002703269090000041
Figure BDA0002703269090000051
该天线的具体尺寸如表1所示，其中d1和d2是内外双环连接支条的长和宽，D3和D4是中心馈电支条的长和宽。该天线内外双环的贴片厚度都为2mm，由图可知，设计的模型基本为一个对称模型，因此有部分参数在HFSS仿真为了方便建模可以由其他参数表示出来，例如：
外环的短边k2＝L1+L2+L4+2*D+2*w2-k1-k4
外环的宽度k3＝2*w1+L3+L+d2
因此天线面积可以表示为(k1+k2+k4)×(2*k3+4*w2+D4)，利用这些参数，在HFSS15.0中进行仿真，分别获得在1.199GHz-1.219GHz和1.549GHz-1.568GHz频率范围内的阻抗带和在1.205GHz-1.209GHz内轴比在3dB附近1.559GHz-1.563Ghz内轴比小于3dB的天线，确保了天线在北斗B1和B2频段可以完成覆盖。
实施例1
环间距离D对天线性能的影响
天线的谐振频点大致由金属贴片的长度决定的，对于大多数天线的来说，金属贴片越长，其谐振频点越低。因此可以推断出本次设计的天线结构中外环金属贴片的长度决定了天线在低频时的谐振频点。中外环的短边是由环间距离D的多项式构成的，固定内环的大小以及外环的宽度L3，金属贴片宽度w2，开口距离k4以及长边k1，通过改变环间距离D可以间接看出外环的长度对谐振频点的影响。天线的回波损耗S11和环间距离D的关系如图12所示。
由图12可以看出，随着D距离的减小，天线在低频时的谐振频点逐渐向高频移动，并且天线在中心频点时的S11从-4dB逐渐降至-30dB。因此可以看出，环间距离D决定的外环短边k2对于天线在低频时的影响十分大，并且在D＝3mm时，天线在低频时的谐振频点刚好达到了设计要求的B1频点1.207GHz附近，且回波损耗S11达到了-30dB，拥有良好的阻抗匹配。
实施例2
内环长边L1对天线性能的影响
天线的谐振频率是由天线的金属环的长度决定的，固定内环的宽度L3，金属贴片宽度w1，开口距离L4以及短边L2，通过改变内环长边L1来观察内环长度对天线在高频时谐振频点的影响。天线的回拨损耗S11和内环长边L1的关系如图13所示。
由图可看出，在其他参数不变的情况下，天线的谐振频点随着L1的减小逐渐从1.53GHz往高频处移动，并且天线在谐振频点的S11逐渐从-10dB降低至-27dB。可以得出天线在L1＝31时的匹配阻抗最好并且谐振频点在设计要求的B2频点1.561GHz附近。
实施例3
外环开口k4大小对天线性能的影响
本次设计的天线模型，圆极化是通过中心馈电使矩形贴片形成等幅且相位相差90°正交馈电从而形成的，因此开口长度以及位置的变化会改变金属贴片表面电流的路径，从而改变天线的圆极化程度。天线的轴比AR和外环开口大小k4的关系如图14所示。
由图可以看出，在外环金属贴片总长不变的情况下，在k4等于6mm的情况下，天线在低频和高频时的轴比最低，圆极化程度最理想。
实施例4
外环开口k4位置对天线性能的影响
在k4＝6mm时，继续寻找外环开口相对于中心馈电口的相对位置对于圆极化程度的影响。天线的轴比AR和外环开口k4位置的关系如图15所示。
在外环金属片总长不变的情况下，改变了k1与k2的相对大小，使开口相较于中心馈电口有着不同的距离位置。结果表明，当k1＝37mm时，天线在双频的轴比较低，圆极化程度比较理想。
实施例5
内环开口L4大小对天线性能的影响
研究讨论内环开口L4大小对于天线轴比的影响，天线的轴比AR和内环开口大小L4的关系如图16所示。在内环金属片总长不变的情况下，L4＝6mm时，天线在双频频点附近的轴比最低，其圆极化程度最理想。
实施例6
内环开口L4位置对天线性能的影响
调整L4的相对于中心馈电口的相对位置来寻找其与轴比的关系。天线的轴比AR和内环开L4位置的关系如图17所示。在内环金属片总长不变的情况下，改变L1与L2的大小关系来间接改变内环开口L4相对于馈电口的位置，可以看出当L1＝31mm，L2＝23mm时，其圆极化最理想。
综合内外环开口k4，L4的大小以及相较于中心馈电口的位置的图以及其他仿真数据可以得出结论，当k4和L4都为6mm时其圆极化程度最理想，并且反应在天线模型上时，可以看出外环和内环关于馈电位置呈斜对称的关系。多次仿真也表明，当k4和L4的位置以及大小关于中心馈电位置呈斜对称时候其圆极化程度会更加理想。

Claims (7)

1.一种满足北斗卫星导航的双频圆极化微带天线，包括介质基板、接地板和辐射单元，其特征在于，所述辐射单元包括多个辐射贴片环，所述辐射贴片环为内外嵌套且设有开口的金属双环，所述介质基板上设有馈电口。
2.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片环的数量为2个。
3.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述辐射贴片环的位置关于馈电口中心对称。
4.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述馈电口位于介质基板的中心。
5.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述介质基板包括介质常数为4.4、损耗角正切为0.02、厚度为1.6mm、尺寸为103mm×90mm的FR4_epoxy基板。
6.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述接地板为金属接地板。
7.根据权利要求1所述的双频圆极化微带天线，其特征在于，所述接地板的尺寸与介质基板相同。
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