CN202150551U

CN202150551U - 可工作于北斗卫星导航系统和移动3g的双频双极化天线

Info

Publication number: CN202150551U
Application number: CN201120287495U
Authority: CN
Inventors: 胡斌杰; 宋蕾蕾
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2021-08-09

Abstract

本实用新型公开了可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，采用层叠式的微带电路的形式来实现，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，上下两层微带天线共用一层金属地板层。天线设置有六个短路金属柱，这六个短路金属柱从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与底层金属地板层相连接。该天线采用双端口同轴馈电的馈电方式，具有结构简单及紧凑、小型化和便于加工和产业化应用等优点。

Description

可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线

技术领域

本实用新型涉及一种天线，特别是涉及一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线。

背景技术

随着卫星导航技术及移动互联网技术的发展，基于位置服务的应用正不断涌现。国内市场上主要应用是以北斗卫星导航定位系统获取地理位置信息，以GPRS和3G网络提供移动互联网接入服务，因此北斗卫星导航定位系统和第三代移动通信技术TD-SCDMA在技术上的融合可以更好的实现移动、位置、实时的移动互联网环境。能同时利用北斗卫星导航定位系统和移动3G信号的多系统导航（兼容）型天线将得到越来越广泛的应用。

但是，设计能同时利用北斗卫星导航定位系统和移动3G信号的多系统导航（兼容）型天线存在以下几方面的技术难点：

1. 北斗卫星导航定位系统圆极化与移动3G线极化的结合技术

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。众所周知，移动通信系统中，一般均采用垂直极化的传播方式，故接收天线也要求是线极化的极化方式。而将这两种极化方式结合的技术尚未成熟。

2.提高双端口微带天线隔离度技术

北斗卫星导航定位系统工作频率为1615.68MHz，而移动3G，即TD-SCDMA的A频段的工作频率为1880~1920MHz，两者频率较接近，设计微带天线时尺寸差异不大，而在实际使用中往往要求双端口天线两端口的隔离度达到一定的标准，因此如何提高天线隔离度也是设计中的一大难点。

3.微带天线小型化技术

微带天线小型化技术是当今国内外研究的重点和难点。无论从电性能方面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到一起的时候，整个天线的尺寸务必会增加，不仅会增加空气动力学阻力，还会总价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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于攻克现有技术的难点，提供一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线。

本实用新型实现了北斗卫星导航系统和移动3G的双频兼容的目标，此外还具有小型化，结构简单及紧凑，便于加工和产业化应用的特点。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，上层微带天线包括上层贴片、上层介质基板、用于端口馈电的第一馈电金属柱、第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱；下层微带天线包括下层贴片、下层介质基板层和用于端口馈电的第二馈电金属柱；上层微带天线和下层微带天线共用一层金属地板层；第一短路金属柱、第二短路金属柱和第三金属柱底面的圆心连线平行于第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱底面的圆心连线，也平行于所述金属地板层的第一对角线；第二短路金属柱和第五金属柱底面的圆心连线在所述金属地板层的第二对角线上，等距排列在第一馈电金属柱的两侧；第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与所述金属地板层相连接；第一馈电金属柱的上端与上层贴片相连接，第二馈电金属柱的上端与下层贴片相连接；第一馈电金属柱和第二馈电金属柱底面圆心连线在所述金属地板层的第一对角线上；下层贴片为正方形贴片，从正方形贴片的一边中心处挖去用于形成微扰的方形挖槽，所述用于形成微扰的方形挖槽的位置靠近第二馈电金属柱；上层贴片和下层贴片分别附着在上层介质基板的上下两面，下层贴片和金属地板层分别附着在下层介质基板的上下两面；上层介质基板和下层介质基板的中心处设有一个用于设置第一馈电金属柱的圆柱形挖孔；下层介质基板偏离中心处设有一个用于设置第二馈电金属柱的圆柱形挖孔。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，所述第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱的大小和结构完全相同，第一短路金属柱、第二短路金属柱和第三短路金属柱组成第一组短路金属柱结构，第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱组成第二组短路金属柱结构。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，上层贴片结构为圆形。上层贴片可为圆形金属片（铜片或银片）。下层贴片可为正方形金属片（铜片或银片）。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，所述上层贴片、第一馈电金属柱和第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱、第六短路金属柱组成加载短路墙圆形贴片的类似单极子天线结构，其中第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱或第六短路金属柱的直径比第一馈电金属柱的直径小。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，所述下层贴片上设置有第一圆形挖孔、第一方形挖槽和第二方形挖槽，第一方形挖槽和第二方形挖槽的大小和结构完全相等，位置关于下层贴片中心对称，第一方形挖槽和第二方形挖槽采用了贴片开槽技术，使用适当比例的长和宽的槽，弯曲表面电流路径，增加下层贴片的有效长度，使下层微带天线的尺寸有效地减小；第一圆形挖孔的圆心、第一方形挖槽和第二方形挖槽的中心在下层贴片的对角线上；下层贴片几何中心处设置供第一馈电金属柱穿设的所述第一圆形挖孔，第一圆形挖孔的直径比第一馈电金属柱的直径大；下层贴片的几何中心的两侧等距设置有供第一组短路金属柱穿设的第一方形挖槽和供短路第二组短路金属柱穿设的第二方形挖槽。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，所述金属地板层为正方形金属片，其上设置有用于第一馈电金属柱馈电的第二圆形挖孔和用于第二馈电金属柱馈电的第三圆形挖孔。

上述的可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，所述上层介质基板和下层介质基板是两种不同介电常数的高频材料。

上层贴片的几何中心处设置有上层馈点，下层贴片上设置有下层馈点；馈电源通过第一馈电金属柱给上层贴片馈电，馈电源通过第二馈电金属柱给下层贴片馈电。

与现有技术相比，本实用新型具有如下的优点和技术效果：

（1）上层微带天线通过加载短路墙圆形贴片的类似单极子天线实现移动3G频段内的线极化，其中第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱或第六短路金属柱的直径比第一馈电金属柱的直径小，第一短路金属柱、第二短路金属柱和第三短路金属柱组成第一组短路金属柱结构，第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱组成第二组短路金属柱结构，通过加载第一组短路金属柱结构和第二组短路金属柱结构，能有效减小上层贴片的面积，并且有利于减小该馈电端口的回波损耗，增加该馈电端口的阻抗带宽。

（2）下层微带天线通过微扰和侧馈方式实现北斗卫星导航系统频段内的左旋圆极化，其中微扰是由正方形贴片一边中心处挖去用于形成微扰的方形挖槽实现的，具有良好的圆极化性能。实施例中轴比小于3dB的情况下，频率范围为1.613 ~ 1.618GHz（北斗卫星导航系统天线要求3dB轴比带宽为2MHz）。

（3）上层介质基板和下层介质基板采用介电常数不同的高频材料，其中上层介质基板材料的介电常数比下层介质基板的小，上层介质基板的厚度比下层介质基板的厚度大，有利于减小上层天线对下层天线的影响，提高天线两个端口的隔离度，而上层介质基板的底面积与下层介质基板的底面积相等，这样的一体化结构设计便于加工及产业化应用。

（4）上层贴片为圆形结构，下层贴片为正方形结构，相比于上下层贴片都为圆形或者上下层贴片都为方形的结构，能有效减小天线两端口之间的耦合，提高天线隔离度。实施例中的天线两端口之间的隔离度都大于20dB。

（5）上层微带天线和下层微带天线共用底层金属地板层，有效减小天线的厚度，使结构更加紧凑，便于加工。

附图说明

图1为实施方式中可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线的结构示意图；

图2a为上层贴片示意图；

图2b为下层贴片的示意图；

图2c为底层金属地板层的示意图；

图3a为北斗卫星导航系统频段内回波损耗及隔离度示意图；

图3b为北斗卫星导航系统频段内轴比示意图；

图3c为f=1.615时的左旋极化和右旋极化方向图；

图3d为北斗卫星导航系统频段内增益示意图；

图4a为移动3G频段内回波损耗及隔离度示意图；

图4b为移动3G频段内增益示意图；

图4c为f=1.9GHz时的E面方向图；

图4d为f=1.9GHz时的H面方向图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细说明，但本实用新型的实施和保护范围不限于此。

如图1、2a、2b和2c所示，一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，采用层叠式的微带电路的形式来实现，包括具有上层贴片12的上层微带天线10、具有下层贴片22的下层微带天线20和置于底层的金属地板层30；上层微带天线10包括上层介质基板11、上层贴片12、用于端口馈电的第一馈电金属柱13、第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16、第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19，其中第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16、第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19大小和结构完全相同；下层微带天线20包括下层介质基板层21、下层贴片22和用于端口馈电的第二馈电金属柱23；金属地板层30上设置有第二圆形挖孔31和第三圆形挖孔32，分别用于第一馈电金属柱13和第二馈电金属柱23的馈电；上层微带天线10和下层微带天线20共用一层金属地板层30；上层贴片12和下层贴片22分别附着在上层介质基板11的上下两面，下层贴片22和金属地板层30分别附着在下层介质基板21的上下两面；第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16、第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19从所述上层贴片12穿入上层微带天线10和下层微带天线20，与所述金属地板层30连接；第一馈电金属柱13从上层贴片12穿入上层介质基板11、下层介质基板21和底层金属地板层30，到达第二圆形挖孔31，与外置的同轴线接头相连接；第二馈电金属柱23从下层贴片22穿入下层介质基板21和底层金属地板层30，到达第三圆形挖孔32，与外置的同轴线接头相连接；第一馈电金属柱13和第二馈电金属柱23底面圆心连线平行于金属地板层30的一条对角线；上层介质基板11和下层介质基板21分别设有相应的过孔，供第一馈电金属柱13、第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16、第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19穿设；下层介质基板21设有相应的过孔供第二馈电金属柱23穿设。

上层贴片工作于移动3G，即TD-SCDMA的A频段（1.88~1.92GHz），下层贴片工作于北斗卫星导航系统的L频段（1615.68MHz）。

第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16组成的第一组短路金属柱结构和第一馈电金属柱13之间，第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19组成的第二组短路金属柱结构和第一馈电金属柱13之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使上层微带天线10在低于谐振频率位置上达到上层微带天线10的阻抗匹配，从而增强了上层微带天线10的阻抗带宽，确保上层微带天线10的频率带宽可以覆盖移动3G的A频段的频率带宽，这样就可以遏制多径效应对本天线的影响，提高上层微带天线10的接收信号的可靠性和精度。

同理，第一短路金属柱14、第二短路金属柱15、第三短路金属柱16组成的第一组短路金属柱结构和第二馈电金属柱23之间，第四短路金属柱17、第五短路金属柱18和第六短路金属柱19组成的第二组短路金属柱结构和第二馈电金属柱23之间形成的强耦合等效于加载了一个电容，使上层微带天线20在低于谐振频率位置上达到上层微带天线20的阻抗匹配，从而增强了上层微带天线20的阻抗带宽，确保上层微带天线20的频率带宽可以覆盖北斗卫星导航系统的L频段的频率带宽，这样就可以遏制多路效应对本天线的影响，提高上层微带天线20的接收信号的可靠性和精度。

如图2a和图2b所示，上层贴片12为圆形，下层贴片22为正方形。这两种形状都为对称结构，容易实现贴片均匀对称设计，形状也易于加工制造；而相比于上下层贴片都为圆形或者都为正方形的结构设计，该天线能够减小上层微带天线10和下层微带天线20间的耦合，提高天线两端口的隔离度。

如图2b所示，下层贴片22一边的中心处挖去用于形成微扰的方形挖槽24，所述用于形成微扰的方形挖槽24可以起到简并模分离的作用，即正方形贴片增加了一个简并模分离单元，使简并模的谐振频率产生分离，工作频率位于两个频率之间，当简并模分离单元选择合适时，对于工作频率而言，一个模的等效阻抗相角超前，而另一个模的等效阻抗相角滞后，当他们之间的相差为90度时，便形成了圆极化。

如图2b所示，下层贴片22上设置有第一圆形挖孔25、第一方形挖槽26和第二方形挖槽27。第一方形挖槽26和第二方形挖槽27的大小和结构完全相等，位置关于下层贴片22中心对称，第一方形挖槽26和第二方形挖槽27采用了贴片开槽技术，使用适当比例的长和宽的槽，弯曲表面电流路径，增加下层贴片22的有效长度，使下层微带天线20的尺寸有效地减小；第一圆形挖孔25的圆心、第一方形挖槽26和第二方形挖槽27的中心在下层贴片22的对角线上；下层贴片22的几何中心处设置供第一馈电金属柱13穿设的所述第一圆形挖孔25，第一圆形挖孔25的直径比第一馈电金属柱13的直径大；下层贴片22的几何中心的两侧等距设置有供第一组短路金属柱穿设的第一方形挖槽26和供短路第二组短路金属柱穿设的第二方形挖槽27。

上层微带天线10和下层微带天线20共用底层金属地板层30，有效减小天线的厚度，使结构更加紧凑，便于加工。

上层介质基板11和下层介质基板采21用介电常数不同的高频材料，其中上层介质基板11材料的介电常数比下层介质基板21的小，上层介质基板11的厚度比下层介质基板21的厚度大，有利于减小上层天线对下层天线的影响，提高天线两个端口的隔离度，而上层介质基板11的底面积与下层介质基板21的底面积大小相等，这样的一体化结构设计便于加工和产业化应用。

应用本实用新型的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线的效果图如图3a，图3b，图3c，图3d及图4a，图4b，图4c和图4d所示。

从图3a中可以看出，在北斗卫星导航系统的L频段（1.605~1.625GHz）范围内，回波损耗小于-10dB ，与移动3G端口的隔离度小于-40dB；从图3b中可以看出，在1.613GHz~1.618MHz频段范围内，轴比AR小于3dB；从图3c中可以看出，该天线在1.615这个频率点实现了良好的左旋圆极化；从图3d中可以看出，在1.605~1.625GHz频段范围内，增益Gain大于4 dB；这说明天线的阻抗带宽，轴比带宽和增益带宽覆盖了北斗卫星导航系统的L频段，天线在上述频段内具有良好的性能。

从图4a中可以看出，在移动3G，即TD-SCDMA的A频段（1.88~1.92GHz）范围内，回波损耗小于-10dB，与北斗卫星导航系统的L频段端口的隔离度小于-20dB；从图4b中可以看出，在1.88~1.92GHz频段范围内，增益Gain大于1.7 dB；从图4c和图4d中可以看出，天线在频率等于1.9GHz时具有良好的方向性；这说明天线的阻抗带宽，轴比带宽和增益带宽覆盖了移动3G，即TD-SCDMA的A频段，天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims

1.可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，包括具有上层贴片的上层微带天线、具有下层贴片的下层微带天线和置于底层的金属地板层，其特征在于：上层微带天线包括上层贴片、上层介质基板、用于端口馈电的第一馈电金属柱、第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱；下层微带天线包括下层贴片、下层介质基板层和用于端口馈电的第二馈电金属柱；上层微带天线和下层微带天线共用一层金属地板层；第一短路金属柱、第二短路金属柱和第三短路金属柱底面的圆心连线平行于第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱底面的圆心连线，也平行于所述金属地板层的第一对角线；第二短路金属柱和第五金属柱底面的圆心连线在所述金属地板层的第二对角线上，等距排列在第一馈电金属柱的两侧；第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱从上层贴片穿入上层微带天线和下层微带天线后与所述金属地板层相连接；第一馈电金属柱的上端与上层贴片相连接，第二馈电金属柱的上端与下层贴片相连接；第一馈电金属柱和第二馈电金属柱底面圆心连线在所述金属地板层的第一对角线上；下层贴片为正方形贴片，从正方形贴片的一边中心处挖去用于形成微扰的方形挖槽，所述用于形成微扰的方形挖槽的位置靠近第二馈电金属柱；上层贴片和下层贴片分别附着在上层介质基板的上下两面，下层贴片和金属地板层分别附着在下层介质基板的上下两面；上层介质基板和下层介质基板的中心处设有一个用于设置第一馈电金属柱的圆柱形挖孔；下层介质基板偏离中心处设有一个用于设置第二馈电金属柱的圆柱形挖孔。

2.根据权利要求1所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于所述第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱的大小和结构完全相同，第一短路金属柱、第二短路金属柱和第三短路金属柱组成第一组短路金属柱结构，第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱组成第二组短路金属柱结构。

3.根据权利要求1所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：所述上层贴片结构为圆形，下层贴片为方形结构。

4.根据权利要求1所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：所述上层贴片、第一馈电金属柱、第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱和第六短路金属柱组成加载短路墙圆形贴片的类似单极子天线结构。

5.根据权利要求4所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：第一短路金属柱、第二短路金属柱、第三短路金属柱、第四短路金属柱、第五短路金属柱或第六短路金属柱的直径比第一馈电金属柱的直径小。

6.根据权利要求1所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：所述下层贴片上设置有第一圆形挖孔、第一方形挖槽和第二方形挖槽，第一方形挖槽和第二方形挖槽的大小和结构完全相等，位置关于下层贴片中心对称；第一圆形挖孔的圆心、第一方形挖槽和第二方形挖槽的中心在下层贴片的对角线上；下层贴片几何中心处设置供第一馈电金属柱穿设的所述第一圆形挖孔，第一圆形挖孔的直径比第一馈电金属柱的直径大；下层贴片的几何中心的两侧等距设置有供第一组短路金属柱穿设的第一方形挖槽和供短路第二组短路金属柱穿设的第二方形挖槽。

7.根据权利要求1所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：所述金属地板层为正方形金属片，其上设置有用于第一馈电金属柱馈电的第二圆形挖孔和用于第二馈电金属柱馈电的第三圆形挖孔。

8.根据权利要求1~7任一项所述的一种可工作于北斗卫星导航系统和移动3G的双频双极化天线，其特征在于：所述上层介质基板和下层介质基板底面积相等，但厚度不相等，上层介质基板的厚度比下层介质基板的厚度大；所述上层介质基板和下层介质基板是两种不同介电常数的高频材料，其中上层介质基板材料的介电常数比下层介质基板的小。