CN113675600A - 一种工作于北斗、gps、5g频段的圆极化天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，该天线由下层接地层、中间介质层和上层的L形枝节贴片层组成，该微带天线能够实现在通信频率1GHz‑11GHz范围内产生4个通频带（1.16GHz‑2.11GHz，3.03GHz‑5.46GHz，5.82GHz‑8.17GHz，9.39‑10.11GHz），其中第一个通频带在北斗和GPS频段，第二个通频带在5G频段,第三个通频带在WIFI 6E频段；并且该微带天线在1.19GHz‑2.11GHz，3.21GHz‑4.70GHz和5.79GHz‑6.21GHz处轴比小于3dB,具有圆极化特性；而且本发明采用微带线馈电，结构简单，加工成本低；本发明所阐述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线可以广泛应用于卫星导航和5G通信等领域。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体是一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线。
背景技术
随着我国航天事业的发展，北斗卫星导航系统已组网完成，成为继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统；圆极化天线是实现用户与卫星进行通信过程中必不可少的组件，对它的研究已经成为天线领域的热点；电磁波在传播过程中遇到反射折射会引起极化方向偏转，这会导致在接受端电磁波的极化方向与天线的极化方向不同；圆极化波在雨、雪天气中的衰减小，穿透电离层能力强，不受地球两极磁场产生的法拉第效应影响，安装调试简单，所以通常使用微带天线用于北斗导航系统；圆极化天线不仅广泛应用于卫星通信领域，在广播电视、电子对抗以及电子侦查等方面也有着重要的应用；目前卫星通信主要有北斗和GPS两种，共四个通信频段，因此，能够同时覆盖这四个卫星通信频段的圆极化天线具有重要的研究价值；同时，5G和WIFI 6E技术的发展带来数据传输速率的大幅度提高和更短的网络延迟，给人们生活提供极大的便利；因此，同时实现北斗，GPS，5G和WIFI 6E多个频段匹配的天线具有非常广泛的应用价值和创新意义。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，此天线能够在通信频率1GHz-10GHz范围内产生4个通频带，其中第一个通频带在北斗和GPS频段并且具有圆极化特征，以此实现在卫星通信频段的应用，第二个通频带在5G频段也具有圆极化特性，可实现5G频段的通信；第三个频段应用于WIFI 6E频段；本发明采用微带线馈电方式，结构简单，加工难度小，成本低。
技术方案：为了实现本发明目的，本发明采用的技术方案为：一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，该天线由介质基板，辐射体，接地板组成，其特征在于,所述天线从下到上依次包括接地层（3）、介质层（2）、贴片层（1）；其中所述接地层用于和微带贴片层激励起高频电磁场，并通过其与微带贴片四周的缝隙向外辐射；介质层用于形成空腔谐振器；所述贴片层通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。
进一步的，所述贴片层（1）包括L形馈电枝节的金属层，所述L形馈电枝节的金属层用于激励和辐射有效电场。
进一步的，所述接地层(3)和贴片层（1）的厚度为0mm-0.035mm,金属材料可为金、银、铜等，也可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。
进一步的，所述的介质层（2）尺寸为80mm×80mm×1.6mm，且可在该尺寸的基础上上下浮动0.1mm；材料采用介电常数为4.4的FR4材料，损耗正切值为0.02。
进一步的，所述贴片层（1）馈电矩形长度为11mm,宽度为1mm,与之相连的是L形馈电枝节，较长的矩形长度为36.5mm,宽度为9.5mm；右侧矩形长度为11.5mm,外宽度为8mm；且各参数可在此基础上下可浮动0.05mm。
进一步的，所述接地层(3)为长度为80mm,宽度为10mm的矩形环；左上角突出一个L形枝节，较长边长度为20mm,宽度为4mm，较短边长度为11.5mm,宽度为4mm；左下角是一长度为18mm,宽度为30mm的矩形，其中减去一个小矩形和一个L形枝节；且在此基础上下可浮动0.05mm。
进一步的，所述的工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，具备四个通频带，其中第一个通频带在北斗和GPS频段，第二个通频带在5G频段,第三个通频带在WIFI 6E频段；并且天线在1.19GHz-2.11GHz，3.21GHz-4.70GHz，5.79GHz-6.21GHz内轴比小于3dB具有圆极化特征。
1、本发明将L形馈电枝节与矩形环接地板结合产生一个通频带在北斗和GPS频段，一个个通频带在5G频段,一个通频带在WIFI 6E频段的多频带天线。
2、本发明设计在微带贴片天线的理论基础上通过等效电路的方法对天线的尺寸，贴片金属的尺寸，贴片金属的形状和介质的厚度进行设计，可用同一电路对工作于不同频带的天线进行设计。
附图说明
图1为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线的三维结构示意图。
图2为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线的俯视图。
图3为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在0.9GHz-10.5GHz的反射系数仿真图。
图4为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在1GHz-8GHz时的轴比仿真图。
图5为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在1.5GHz时的E面的天线辐射方向图。
图6为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在1.5GHz时的H面的天线辐射方向图。
图7为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在3.3GHz时的E面的天线辐射方向图。
图8为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在3.3GHz时的H面的天线辐射方向图。
图9为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在6.5GHz时的E面的天线辐射方向图。
图10为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在6.5GHz时的H面的天线辐射方向图。
图11为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在9.5GHz时的E面的天线辐射方向图。
图12为本发明一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线在9.5GHz时的H面的天线辐射方向图。
具体实施方式
本发明为一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，下面将结合附图和技术方案对本发明作更为详尽的说明。
此工作于北斗、GPS、5G和WIFI 6E频段的圆极化天线，其三维结构如图1所示，从下到上依次包括接地层（3）、介质层（2）、贴片层（1）；所述微带贴片层包括L形馈电枝节的金属层，所述L形馈电枝节的金属层用于激励和辐射有效电场。
工作原理：当电源通过SMA转接头接入馈电线对天线进行馈电时，介质层提供空腔谐振器，接地层和微带贴片层间产生等效LC谐振，激励并辐射有效电场；在1.5GHz时，L形枝节右侧会有较大的表面电流分布，这表明L形枝节右侧是低频段1.15GHz-2.11GHz的主要辐射单元；在4.6GHz时在L形枝节下侧和矩形框下边会有较大的表面电流分布，这表明L形枝节下侧和矩形框下边是中低频段3.03GHz-5.30GHz的主要辐射单元；在7.4GHz时在L形枝节下侧及右侧有较大的表面电流分布，这表明L形枝节下侧及右侧是中高频段5.84GHz-8.16GHz的主要辐射单元；9.7GHz时在L形枝节下侧有较大的表面电流分布，这表明L形枝节下侧是高频段9.39GHz-10.11GHz的主要辐射单元。
如图3所示，激励产生的电场形成了四个有效的通频带,四个通频带分别为1.16GHz-2.11GHz，3.03GHz-5.46GHz，5.82GHz-8.17GHz，9.39-10.11GHz；其中第一个通频带在北斗和GPS频段，第二个通频带在5G频段,第三个通频带在WIFI 6E频段。
如图4所示，在1.19GHz-2.11GHz,3.21GHz-4.70GHz,5.79GHz-6.21GHz处轴比小于3dB,具有圆极化特性。
如图5所示，当频率为1.5GHz时，天线E面呈近似圆形辐射，辐射方向具有全向性。
如图6所示，当频率为1.5GHz时，H面呈近似圆形，辐射方向具有全向性。
如图7所示，当频率为3.3GHz时，天线E面呈呈近似圆形，辐射方向具有全向性。
如图8所示，当频率为3.3GHz时，H面呈近似圆形，辐射方向具有全向性。
如图9所示，当频率为6.5GHz时，天线E面呈近似圆形，辐射方向具有全向性。
如图10所示，当频率为6.5GHz时，H面呈近似圆形，辐射方向具有全向性。
如图11所示，当频率为9.5GHz时，天线E面呈近似圆形，有一定畸变，辐射方向有角度限制。
如图12所示，当频率为9.5GHz时，天线H面近似圆形，有一定畸变，辐射方向有角度限制。
从仿真结果分析:
1、在反射系数-10dB以下，产生了1.16GHz-2.11GHz，3.03GHz-5.46GHz，5.82GHz-8.17GHz，9.39-10.11GHz；四个通频带，此天线低频通带1.16GHz-2.11GHz完全覆盖北斗B1频段（1561±2.046MHz）,B2频段（1207±2.046MHz）;GPS的L1频段（1575±10.23MHz）,L2频段（1227±10.23MHz）；此天线中低频通带3.03GHz-5.46GHz完全覆盖5G中N77频段（3.3-4.2GHz）和N78频段（3.3-3.8GHz），现实中可应用于中国电信3.2-3.5GHz的5G频段；此天线高频通带5.82GHz-8.17GHz完全覆盖WIFI 6E频段（5.925GHz-7.125GHz）；
2、当频率为1.5GHz、3.3GHz、6.5GHz、9.5GHz时，天线E面呈近似圆形辐射，H面基本呈全向性辐射；辐射方向稳定，受频率影响较小；当频率增高时，天线的增益方向会发生畸变，如9.5GHz时，天线E面虽呈近似圆形辐射，但有一定畸变；
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后,技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，该天线由介质基板，辐射体，接地板组成，其特征在于,所述天线从下到上依次包括接地层（3）、介质层（2）、贴片层（1）；其中所述接地层用于和微带贴片层激励起高频电磁场，并通过其与微带贴片四周的缝隙向外辐射；介质层用于形成空腔谐振器；所述贴片层通过光刻工艺制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体。
2.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线,其特征在于,所述微带贴片层包括L形馈电枝节的金属层，所述L形馈电枝节的金属层用于激励和辐射有效电场。
3.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线,其特征在于,所述接地层(3)和贴片层（1）的厚度为0-0.035mm,金属材料可为金、银、铜等，也可以是具有与金、银、铜相当导电率的导电材料。
4.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，其特征在于所述接地层(3)为长度为80mm,宽度为10mm的矩形环；左上角突出一个L形枝节，较长边长度为20mm,宽度为4mm，较短边长度为11.5mm,宽度为4mm；左下角是一长度为18mm,宽度为30mm的矩形，其中减去一个小矩形和一个L形枝节。
5.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线,其特征在于,所述的介质层（2）尺寸为80mm×80mm×1.6mm，且可在该尺寸的基础上上下浮动0.1mm；材料采用介电常数为4.4的FR4材料，损耗正切值为0.02。
6.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线,其特征在于,所述贴片层（1）馈电矩形长度为11mm,宽度为1mm,与之相连的是L形馈电枝节，较长的矩形长度为36.5mm,宽度为9.5mm；右侧矩形长度为11.5mm,外宽度为8mm；且各参数可在此基础上下可浮动0.05mm。
7.根据权利要求1所述的一种工作于北斗、GPS、5G频段的圆极化天线，其特征在于,具备四个通频带（1.16GHz-2.11GHz，3.03GHz-5.46GHz，5.82GHz-8.17GHz，9.39-10.11GHz），其中第一个通频带在北斗和GPS频段，第二个通频带在5G频段,第三个通频带在WIFI 6E频段；并且天线在1.19GHz-2.11GHz，3.21GHz-4.70GHz，5.79GHz-6.21GHz内轴比小于3dB具有圆极化特征。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211119 |