CN201674000U - 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线 - Google Patents

一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线 Download PDF

Info

Publication number
CN201674000U
CN201674000U CN2010201268325U CN201020126832U CN201674000U CN 201674000 U CN201674000 U CN 201674000U CN 2010201268325 U CN2010201268325 U CN 2010201268325U CN 201020126832 U CN201020126832 U CN 201020126832U CN 201674000 U CN201674000 U CN 201674000U
Authority
CN
China
Prior art keywords
low
line
layer
feed
impedance line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2010201268325U
Other languages
English (en)
Inventor
胡斌杰
王晓欣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN2010201268325U priority Critical patent/CN201674000U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN201674000U publication Critical patent/CN201674000U/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)

Abstract

本实用新型公开一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器；两馈电同轴线分别将第一低阻抗线、第二低阻抗线与上层微带天线结构连接在一起；两馈电同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线得间距为0.069λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049λ。该天线采用两个距离足够小的正交同轴线馈电，产生足够大的电容，以抵消由于使用具有高介电常数的陶瓷介质所引起的同轴馈电线附件电感，达到改善天线的匹配性能，提高天线的增益的功能。该天线具有小型化、宽带化合结构紧凑、便于加工的特点。

Description

一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线
技术领域
本使用新型涉及到一种卫星导航与定位天线，它可以同时工作在中国北斗二代系统的B1频段(1561.098MHz)和美国的GPS系统L1频段(1575.42MHz)的多个导航系统的兼容接收天线。
背景技术
卫星导航产业是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业，其发展前景十分广阔，已经成为国际八大无线产业之一，是继蜂窝移动通信和互联网之后，全球发展最快的信息产业，已成为第三个IT经济的又一个新的增长点。以美国全球定位系统GPS为代表的卫星与定位GPS应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。我国的卫星导航产业正进入产业化高速发展的关键时刻，预计在今后五到十年内将形成GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统融合的全球性导航卫星系统的集合。
随着各导航系统的发展，多系统并存、多模融合步伐将进一步加快，单一的GPS系统时代正在转变为多星座并存且兼容的全球导航卫星系统(GNSS)时代，在可以预见的将来，覆盖各国领土的卫星导航系统将包括GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航系统四大系统。各个系统的优劣在于：GPS发展时间长，应用广泛，但出于国家安全考虑，美国的GPS一直没有承诺对民用服务的连续性；GLONASS的抗干扰能力强，但是系统运行状态不稳，同时编码方式特殊；GALILEO相对精准，但技术成熟度相对较晚。北斗卫星导航系统是从中国战略层面上开发的一套具有自主知识产权和双向通信能力的卫星导航与定位系统。因此，开发同时兼容上述卫星导航系统的应用技术，实现多模融合，是卫星导航产业发展的必然趋势。
但是，目前设计多导航系统兼容的天线存在以下几方面的技术难点：
1、轴比/阻抗宽带化技术
在移动卫星通信中，卫星上的发射系统用圆极化波广播信号，以便运动中的交通工具和用户配用的移动卫星通信设备终端在与卫星无关的任何方向上可以接收卫星的信号，卫星上的发射系统覆盖一个很大的范围，无须对准某个具体的终端。为了满足这种需求，用于移动卫星通信设备的天线必需在很宽波束内具有良好的圆极化性能。
传统的螺旋天线常用于卫星导航系统中，用于产生圆极化波传播，由于该天线需要从接地金属板的表面向上延伸出的高度为λ0/4～λ0/2(其中λ0为天线工作波长)一段螺旋，因此其样式不佳，还增加了空气动力学上的阻力。低剖面的微带天线可以弥补上述不足，但是传统的单馈点微带圆极化天线尚存在以下缺点：(1)没有足够的波束宽度，无法保证为移动卫星通信提供足够宽的覆盖范围；(2)当拥有足够的波束宽度时，阻抗带宽却不足。微带天线的辐射波束宽度虽然通过采用高介电常数的介质材料或采用微带开槽技术把天线的尺寸缩小从而产生宽的辐射波束，但这种方法却使阻抗带宽减少，不能满足需求。
2、小型化技术
小型化技术是多系统导航兼容型天线设计中的一大难题。无论从电性能方面来说，还是从机械尺寸方面来说，小型化技术都是不可或缺的。从电性能方面来说，卫星导航系统要求天线的辐射波束要足够宽，而通常情况下，尺寸小的天线可以产生宽的辐射波束。从机械尺寸方面来说，当多个天线单元组合在一起的时候，整个天线的尺寸势必会增加，不仅会增加空气动力学的阻力，还会增加到天线的装配方面的难度，对天线的机械强度提出了更高的要求。
3、天线增益增强技术
北斗、GPS及GLONASS等卫星导航定位系统要求天线不仅具有很宽的 波束范围，还要求天线具有较高的增益。常见的增益要求为：在仰角20°～90°的范围内，增益大于0dBic，在仰角为5°～20°的范围内，增益大于-3dBic。为了达到这种要求，首先要改善端口的阻抗匹配，保证射频信号能够馈入各个天线单元中，减少反射回去的信号能量。在保证端口良好匹配的基础上还要提高天线的辐射效率，使馈入天线的信号能充分的发射出去，减少天线单元中的能量损失，包括介质损耗，金属损耗等。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够兼容多个卫星导航与定位系统的接收天线，且实现良好的阻抗带宽、轴比带宽、增益和小体积等性能。
本实用新型利用正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，实现了良好的圆极化天线性能，其天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽都涵盖了北斗B1和GPS L1两个全球卫星定位系统的两个频段，此外还具有小型化，结构紧凑，便于加工和应用的特点。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，采用微带电路的形式来实现，包括上层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器。上层微带天线结构和金属地板层分别附着上层介质基板上下两面；金属层地板下表面与下层介质基板连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板下表面。
上层微带天线结构为方形金属片(铜片或银片)。
底层Wilkinson功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线以及贴片电阻组成。第三低阻抗线与高阻线连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线分别与两金属同轴线连接，第一低阻抗线、第二低阻抗线分别与高阻线连接，贴片电阻连接第一低阻抗线和第二低阻抗线；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线、第二低阻抗线和第三低阻抗线的特征阻抗Zn的 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200011
倍，贴片电阻的阻抗值为特征阻抗Z0的2倍；这样就可使得Wilkinson功分器的输入端和输出端接入与低阻抗微带线特征阻抗Z0相等的负载时实现完全匹配。
上层介质基板、下层介质基板设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线；两馈电同轴线分别上层微带天线结构与第一低阻抗线和第二低阻抗线连接在一起；两馈电同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线得间距为0.069λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049λ；其中λ为上层介质基板中的等效波长。两个圆柱形挖孔与两馈电同轴线的同轴。金属底板层设有两圆形挖孔，两圆形挖孔分别与两馈电同轴线的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径稍大。
由于上层介质基板为具有高介电常数的陶瓷介质，为了克服由此给输入阻抗带来的高感抗的问题，两同轴线的间距只有0.069λ(λ为上层介质基板4中的等效波长)，比常规的正交同轴馈电的圆极化方形天线的两同轴线的间距(一般为0.113λ)要小。
上层微带天线结构与底层Wilkinson功分器层共用金属地板层。
上层介质基板和下层介质基板均为高介电常数的陶瓷介质。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：
(1)所述天线采用正交双同轴线馈电，有效地拓展了轴比带宽和阻抗带宽。实施例中在轴比小于1.76的情况下，频率范围为1.472～1.58GHz，带宽达到108MHz，增益大于2dB的情况下频率范围为1.55～1.635GHz，增益带宽达到84MHz；而回波损耗在1.5～1.606GHz频率范围内小于-15dB，使得阻抗带宽大于106MHz。
(2)天线采用两相互靠近的同轴线馈电，克服了由陶瓷介质高介电常数带 来的高感抗的问题，改善了天线的匹配性能。
(3)天线采用功分器与天线共用地板，有效减小天线的厚度，使结构更紧凑，便于加工生产。
(4)天线采用陶瓷介质，有效地减少了天线的体积，拓展了波束宽度。
(5)天线采用低损耗的陶瓷材料改善了天线的辐射效率，提高了天线增益。
附图说明
图1为基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线结构示意图；
图2a为微带天线结构层的示意图；
图2b为金属地板层的示意图；
图2c为底层Wikinson功分器的示意图；
图3a为本实用新型的回波损耗示意图；
图3b为本实用新型的轴比示意图；
图3c为本实用新型的增益示意图；
图4为本实用新型的两同轴线的之间的等效电路图。
下面结合附图对本实用新型的作详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
具体实施方式
如图1、2a、2b、2c所示，一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，采用微带电路的形式来实现，包括上层微带天线结构1、上层介质基板4、金属地板层5、下层介质基板8和底层Wilkinson功分器。上层微带天线结构1和金属地板层5分别附着上层介质基板4上下两面；金属层地板5下表面与下层介质基板8连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板8下表面。
上层微带天线结构1为方形金属片，其边长a和上层介质基板4的介电常 数一起决定天线的谐振频率，具体的公式为 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200031
fr式中是工作频率，对同时工作在中国北斗二代B1频段和美国的GPS系统L1频段(1575.42MHz)两个导航系统可取fr＝1.568GH；c为光在真空中的速度；aeff为方形金属片的有效边长， 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200032
h为上层介质基板4的厚度；εe为上层介质基板的等效介电常数， 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200033
εr为上层介电常数的相对介电常数。
底层Wilkinson功分器层由高阻线10、第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y、第三低阻抗线11以及贴片电阻12组成。高阻线10为带开口的环形；第三低阻抗线11与高阻线10连接；第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y分别与两金属同轴线2、3连接，第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y还分别与高阻线10的开口点连接，贴片电阻12连接第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y；高阻线10的特征阻抗为第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y和第三低阻抗线的特征阻抗Z0的 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200034
倍；第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y和第三低阻抗线的特征阻抗Z0相同。贴片电阻12的阻抗值为特征阻抗Z0的2倍；这样就可使得Wilkinson功分器的输入端和输出端接入与低阻抗微带线特征阻抗Z0相等的负载时实现完全匹配。
上层介质基板4、下层介质基板8设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线2、3；两馈电同轴线2、3分别连接上层微带天线结构1与第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y；两个圆柱形挖孔与两馈电同轴线2、3的轴线同心。金属底板层5设有两圆形挖孔6、7，两圆形挖孔6、7分别与两馈电同轴线2、3的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径稍大。
两馈电同轴线2、3的位置应满足两个馈电点之间幅度相等且相位正交的要求，即当底层Wilkinson功分器的第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y之间信号幅度相同且相位正交时，两馈电同轴线2、3的中心与上层微带天线结构1的几何中心之间的连线构成的夹角为90度。两馈电点分别与上层微带天线结构1的几何中心的连线成90°，且与几何中心的距离相等，能够激励产生两相互正交的模式，满足了右旋圆极化的其中一个条件。为了保证该天线产生右旋圆极化，Wilkinson功分器连接到同轴线2的微带线9x要比连接到同轴线3的微带线9y长λ/4(λ为下层介质基板8中的等效波长，可通过公式 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200041
计算得到，其中c是光在真空中的速度，f是工作频率，εeff是等效介电常数，它由微带线宽度、介质厚度和介质相对介电常数决定，其计算公式为 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200042
h是介质厚度，w是微带线宽度)，保证同轴线2中的相位比同轴线3中相位超前90°。Wilkinson功分器的使用，提高了天线的圆极化性能，拓展了天线的轴比带宽。
由于上层介质基板4为具有高介电常数的陶瓷介质，为了克服由此给输入阻抗带来的高感抗的问题，两同轴线的间距只有0.069λ(λ为上层介质基板4中的等效波长，可通过公式 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200043
计算得到，其中c是光在真空中的速度，f是工作频率，εeff是等效介电常数，它由上层天线结构、介质厚度和介质相对介电常数决定，其计算公式为 
Figure DEST_PATH_GSB00000254553200044
h是上层介质4厚度，a是上层微带天线结构1的边长)，比常规的正交同轴馈电的圆极化方形天线的两同轴线之间的距离(一般为0.113λ)要小。由于两同轴线2、3之间的距离很近，它们之间产生较强电容，并与由于使用高介电常数的介质基板引起的同轴馈线附加的电感串联，即可相互抵消。其等效电路图如图4 所示，其中L1、L2为同轴线2、3分别引起电感，C为由于十分靠近的同轴线2、3产生的电容。
上层微带天线结构与底层Wilkinson功分器层共用金属地板层5，有效地减少天线体积，使天线结构更加紧凑。
上层介质基板4和下层介质基板8均为陶瓷介质。上层介质基板4具有高介电常数的特点，能够有效的减小天线体积。
应用本实用新型基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线的效果如图3a、3b、3b所示，从图3a可见，在北斗B1和GPS L1，所在的1.55～1.58GHz频段内，回波损耗S11＜-19dB，从图3b中可以看到，在上述频带内轴比AR＜1.76dB，从图3c中可以看到，在1.55～1.58GHz频带内，增益Gain＞2.0dB。这说明天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽覆盖了北斗B1和GPS的L1频段，使得天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims (3)

1.一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层功分器；上层微带天线结构为方形天线，上层微带天线结构和金属地板层分别附着上层介质基板上下两面；金属层地板下表面与下层介质基板连接，底层功分器附着在下层介质基板下表面；其特征在于：所述上层微带天线结构为方形金属片；所述底层功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线以及贴片电阻组成；高阻线为带开口的环形；第三低阻抗线与高阻线连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线分别与两金属同轴线连接，第一低阻抗线、第二低阻抗线还分别与高阻线的开口点连接，贴片电阻连接第一低阻抗线和第二低阻抗线；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线、第二低阻抗线或第三低阻抗线的特征阻抗Z0的 
Figure DEST_PATH_FSB00000254553100011
倍，贴片电阻的阻抗值为特征阻抗Z0的2倍；
上层介质基板、金属地板层和下层介质基板设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线；两馈电同轴线分别将第一低阻抗线、第二低阻抗线与上层微带天线结构连接在一起；两馈电同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线得间距为0.069λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049λ；其中λ为上层介质基板中的等效波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述上层介质基板和下层介质基板均为具有高介电常数的陶瓷介质。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述金属底板层的两圆形挖孔分别与两馈电同轴线的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径大。 
CN2010201268325U 2010-03-04 2010-03-04 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线 Expired - Fee Related CN201674000U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010201268325U CN201674000U (zh) 2010-03-04 2010-03-04 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010201268325U CN201674000U (zh) 2010-03-04 2010-03-04 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN201674000U true CN201674000U (zh) 2010-12-15

Family

ID=43331408

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2010201268325U Expired - Fee Related CN201674000U (zh) 2010-03-04 2010-03-04 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN201674000U (zh)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066384A (zh) * 2012-12-27 2013-04-24 武汉基数星通信科技有限公司 一种小型化宽带导航天线
CN103730734A (zh) * 2014-01-15 2014-04-16 哈尔滨工业大学 功分器馈电的双圆极化贴片天线
CN103779641A (zh) * 2014-01-22 2014-05-07 上海海事大学 一种中心加载折叠枝节多模谐振器结构的新型超宽带（uwb）滤波器
CN103956544A (zh) * 2014-03-05 2014-07-30 上海海事大学 基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(uwb)滤波器
CN104269616A (zh) * 2014-09-17 2015-01-07 电子科技大学 移动应用中工作于高次模的矩形微带天线
CN104300214A (zh) * 2014-08-22 2015-01-21 江苏本能科技有限公司 双馈点圆极化微带天线
CN109378581A (zh) * 2018-11-22 2019-02-22 厦门大学 一种辐射双频漩涡波的微带圆形贴片天线
CN109904584A (zh) * 2019-01-29 2019-06-18 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种双极化微带贴片天线单元及天线阵
CN110165361A (zh) * 2019-05-20 2019-08-23 中天宽带技术有限公司 一种单锥形辐射贴片天线及电子设备

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103066384A (zh) * 2012-12-27 2013-04-24 武汉基数星通信科技有限公司 一种小型化宽带导航天线
CN103730734A (zh) * 2014-01-15 2014-04-16 哈尔滨工业大学 功分器馈电的双圆极化贴片天线
CN103779641A (zh) * 2014-01-22 2014-05-07 上海海事大学 一种中心加载折叠枝节多模谐振器结构的新型超宽带（uwb）滤波器
CN103956544A (zh) * 2014-03-05 2014-07-30 上海海事大学 基于折叠枝节加载多模谐振器的超宽带(uwb)滤波器
CN104300214A (zh) * 2014-08-22 2015-01-21 江苏本能科技有限公司 双馈点圆极化微带天线
CN104269616A (zh) * 2014-09-17 2015-01-07 电子科技大学 移动应用中工作于高次模的矩形微带天线
CN109378581A (zh) * 2018-11-22 2019-02-22 厦门大学 一种辐射双频漩涡波的微带圆形贴片天线
CN109378581B (zh) * 2018-11-22 2021-03-12 厦门大学 一种辐射双频漩涡波的微带圆形贴片天线
CN109904584A (zh) * 2019-01-29 2019-06-18 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种双极化微带贴片天线单元及天线阵
CN109904584B (zh) * 2019-01-29 2021-08-03 中国电子科技集团公司第三十八研究所 一种双极化微带贴片天线单元及天线阵
CN110165361A (zh) * 2019-05-20 2019-08-23 中天宽带技术有限公司 一种单锥形辐射贴片天线及电子设备

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN201674000U (zh) 一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线
CN101752664B (zh) 基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线
CN102013551B (zh) 一种基于带状线多缝隙耦合馈电的圆极化陶瓷天线
CN102332637B (zh) 一种双极化多系统兼容型天线
CN102800927B (zh) 通过多模行波(tw)的微型化超宽带多功能天线
CN101533956B (zh) 一种多模卫星定位导航终端天线
CN103151606B (zh) 一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线
CN104466380B (zh) 平面双频双圆极化阵列天线
CN201425968Y (zh) 一种双频段卫星导航接收天线
CN102780091B (zh) 一种高低仰角增益圆极化螺旋天线
CN107181056A (zh) 一种微波衰减型高稳相、高精度gnss测量型天线及设备
CN104319467A (zh) 兼容北斗和gps功能的五频段用户机天线
CN102891360A (zh) 一种宽频带小型化双旋圆极化天线
CN104966887B (zh) 一种高抗多径的高精度测量型天线及通信设备
CN202977719U (zh) 一种基于带状线正交馈电的圆极化陶瓷天线
CN206506021U (zh) 一种容性耦合馈电的紧凑型双频双模双极化宽带贴片天线
CN102185182A (zh) 圆极化多模宽带天线及微带功分移相网络
CN103794846B (zh) 一种双频圆极化北斗天线
CN103700946B (zh) 带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线
CN106299690A (zh) 一种差分馈电宽带圆极化天线
CN204257815U (zh) 小型化三频多层贴片北斗天线
CN109509966A (zh) 一种s频段高增益圆极化天线
CN202308284U (zh) 一种双极化多系统兼容型天线
CN108155468B (zh) 带csrr分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线
CN201503919U (zh) 小型双频双圆极化宽波束多层微带天线

Legal Events

Date Code Title Description
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20101215

Termination date: 20140304