CN217903438U

CN217903438U - 一种小型化圆极化北斗天线

Info

Publication number: CN217903438U
Application number: CN202222207338.7U
Authority: CN
Inventors: 李高升; 陈子翀; 邓卓林; 褚宏波; 陈松旻
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2022-08-22
Filing date: 2022-08-22
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2032-08-22

Abstract

本申请涉及天线技术领域，具体是一种小型化圆极化北斗天线，包括：辐射贴片和介质基板；所述辐射贴片设在所述介质基板的顶部，所述辐射贴片为正方形，所述辐射贴片的对角设有对称的切槽，所述切槽为等腰直角三角形的结构；所述介质基板的介电常数大于3.7；所述辐射贴片的中央设有X形槽；所述X形槽的两条边呈轴对称分布，且分别与所述辐射贴片的两条对角线重合。采用本申请能够在保证工作频率不变的情况下缩减天线的尺寸。

Description

一种小型化圆极化北斗天线

技术领域

本申请涉及天线技术领域，特别是涉及一种小型化圆极化北斗天线。

背景技术

全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。全球卫星导航系统(GlobalNavigation Satellite System,GNSS)，包括美国的GPS系统，欧盟的GALILEO，俄罗斯的GLONASS，中国的北斗系统。由于卫星导航系统已深入各个国家各个领域，成为维护国家安全利益的重要组成部分，如何规划研究升级自己的卫星导航系统成为了重要课题。

卫星导航天线由于使用环境多为雨雾情况等，容易出现多径反射现象，通常采用具有良好电磁特性并能抵制恶劣气象环境的圆极化天线。常见的圆极化天线为螺旋天线、十字交叉振子天线和微带贴片天线。其中，微带天线易加工、易小型化、馈电方式简单，并具有低剖面等特点，被广泛应用于导航天线领域。随着设备的小型化趋势，精确导航定位对圆极化导航天线提出了能在更小尺寸下高效工作的需求。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种小型化圆极化北斗天线，能够在保证工作频率不变的情况下缩减天线的尺寸。

一种小型化圆极化北斗天线，包括：辐射贴片和介质基板；

所述辐射贴片设在所述介质基板的顶部，所述辐射贴片为正方形，所述辐射贴片的对角设有对称的切槽，所述切槽为等腰直角三角形的结构；

所述介质基板的介电常数大于3.7。

在一个实施例中，所述辐射贴片的中央设有X形槽。

在一个实施例中，所述X形槽的两条边呈轴对称分布，且分别与所述辐射贴片的两条对角线重合。

在一个实施例中，还包括：地板；所述地板设在所述介质基板的底部。

在一个实施例中，还包括：馈电探针；

所述馈电探针的外介质与所述地板相连，所述馈电探针的内导体穿过所述地板和所述介质基板后与所述辐射贴片相连。

在一个实施例中，所述辐射贴片上设有连接点，以与所述馈电探针的内导体相连；

所述连接点与所述辐射贴片的中央不重合。

在一个实施例中，所述辐射贴片的面积小于所述介质基板的面积。

上述小型化圆极化北斗天线，设置了正方形的辐射贴片，且在辐射贴片的对角设有对称的等腰直角三角形的切槽，因此可以实现圆极化天线；在此基础上，使用高介电常数的介质基板，能够在保证工作频率不变的情况下缩减天线的尺寸实现小型化圆极化天线。

附图说明

图1为一个实施例中小型化圆极化北斗天线的俯视图；

图2为一个实施例中小型化圆极化北斗天线的侧视图；

图3为一个实施例中不同长度的pf对天线阻抗匹配的影响图；

图4为一个实施例中不同长度的cl对天线圆极化性能的影响图；

图5为一个实施例中有无X形槽对天线圆极化性能的影响图；

图6为一个实施例中不同频段的左右旋圆极化方向图；(a)为1260GHz下的左旋圆极化方向图；(b)为1260GHz下的右旋圆极化方向图；(c)为1265GHz下的左旋圆极化方向图；(d)为1265GHz下的右旋圆极化方向图；(e)为1268.5GHz下的左旋圆极化方向图；(f)为1268.5GHz下的右旋圆极化方向图；(g)为1270GHz下的左旋圆极化方向图；(h)为1270GHz下的右旋圆极化方向图；

图7为一个实施例中仿真和实测的天线S₁₁对比图；

图8为一个实施例中仿真和实测的天线轴比对比图；

图9为一个实施例中BD₃频段在各个角度的轴比图；

图10为一个实施例中仿真和实测的天线增益对比图；

图11为一个实施例中天线相位中心图。

附图标记：

辐射贴片1，X形槽11，切槽12，介质基板2，地板3，馈电探针的外介质41，馈电探针的内导体42，连接点5。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，本申请各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1和图2所示，本申请提供了一种小型化圆极化北斗天线，在一个实施例中，包括：辐射贴片1和介质基板2；

辐射贴片1设在介质基板2的顶部，辐射贴片1为正方形，辐射贴片1的对角设有对称的切槽12，切槽12为等腰直角三角形的结构；

介质基板2的介电常数大于3.7。

在本实施例中，辐射贴片的底部可以与介质基板的顶部完全重合。

优选地，辐射贴片1和介质基板2均为正方形，辐射贴片1的面积小于介质基板2的面积，也就是说，辐射贴片1的边长小于介质基板2的边长，且辐射贴片1与介质基板2的每组对应边分别平行设置，以在辐射贴片1的四周与介质基板2的四周之间形成闭合环状的空气带隙，从而节省材料和成本。

切槽是指辐射贴片1的对角缺少了一部分，在正方形的辐射贴片上设置对称的等腰直角三角形结构的切槽，使辐射贴片1的形状由四边形变为六边形，即增加简并分离单元，可以使两个正交极化的等效阻抗相位角分别超前和滞后45°，使天线辐射出幅度相等、相位差为90°的圆极化电磁波，从而实现天线的圆极化辐射特性并降低轴比。

当切槽设在辐射贴片的左上角和右下角的位置时，在一个周期内，电流方向逆时针旋转，即为右旋圆极化；当切槽设在辐射贴片的右上角和左下角的位置时，在一个周期内，电流方向顺时针旋转，即为左旋圆极化。

本申请不限制介质基板的形状、大小和材质。

由下式：

式中，f表示谐振频率，c表示光在真空中的传播速度，L表示辐射贴片的边长，ε_r表示介质基板的相对介电常数。

因此，在频率不变的前提下，天线的尺寸与介质基板的介电常数呈反比关系，介质基板采用高介电常数的材料(介电常数高于SiO₂的材料，SiO₂的介电常数为3.7，即介电常数＞3.7，例如：钛矿相结构的钛酸钡系和钛酸铅系)，有利于天线实现小型化。

上述小型化圆极化北斗天线，设置了正方形的辐射贴片，且在辐射贴片的对角设有对称的等腰直角三角形的切槽，因此可以实现圆极化天线；在此基础上，使用高介电常数的介质基板，能够在保证工作频率(调整辐射贴片的边长和介质基板的介电常数的关系来保证工作频段)不变的前提下缩减天线的尺寸，电尺寸为(0.18λ₀)²*0.01λ₀，实现小型化圆极化天线。

在一个实施例中，辐射贴片1的中央设有X形槽11。

在本实施例中，引入曲流技术，X形槽11可以延长电流路径，相当于增加天线的尺寸，使得天线的工作频率向低频移动，从而在高介电常数介质基板的基础上进一步实现天线的小型化性能。

改变X形槽的长度、宽度以及两条边的夹角，可以改变天线的谐振点和阻抗匹配特性。

在一个实施例中，还包括：地板3；地板3设在介质基板1的底部。

在一个实施例中，还包括：馈电探针；馈电探针的外介质41与地板3相连，馈电探针的内导体42穿过地板3和介质基板2后与辐射贴片1相连。

本申请不限制地板的大小和材质。

本实施例的工作过程为：天线辐射波由馈电探针传入，并沿着馈电探针的内导体传到辐射贴片上，然后辐射出去；馈电探针的外介质与地板相连，以形成良好的接地。

在一个实施例中，辐射贴片1上设有连接点5，以与馈电探针的内导体42相连；连接点5与辐射贴片1的中央不重合。

也就是说，连接处5与辐射贴片1的中央具有一定的距离，以保证天线的阻抗匹配特性。

在一个具体的实施例中，辐射贴片1为边长是28.54mm、厚度是2.5mm的正方形，介质基板2为边长是43mm、厚度是2.5mm的正方形，X形槽11的两条边呈轴对称分布，且分别与辐射贴片1的两条对角线重合，即X形槽11的两条边相等且垂直，X形槽11的每条边的长度是8mm、宽度是0.22mm，切槽12的直角边长是1.55mm，连接点5与辐射贴片1中心的距离是6.5mm。

如图3所示，pf为连接点与辐射贴片中心的距离(即馈电探针与辐射贴片中心的垂直距离)，该参数对天线的阻抗匹配有很大的影响。当pf＝6.5mm时，天线的阻抗带宽可以覆盖BD₃频段；而以步长为2mm分别向6.5mm左右两边拓展时，天线在目标频段均无法正常工作。

如图4所示，切槽的边长cl对天线轴比的大小和带宽覆盖范围都有不同程度的影响。当cl＝1.55mm时，天线的3dB轴比带宽可以覆盖BD₃频段。

如图5所示，相比无缝隙(即无X形槽)时，加载X型槽时，天线的圆极化性能明显改善，轴比在整个频段内都有不同程度降低，并在BD₃频段低于3dB，达到圆极化辐射工程要求。

如图6所示，显示了用旋转发射线极化喇叭天线方法测量的天线在1260GHz、1265GHz、1268.5GHz、1270GHz的LHCP和RHCP辐射方向图。测量的LHCP模式与仿真的模式非常吻合，尤其是在最大辐射方向。在低频段，仿真和实测的RHCP模式拟合良好。随着频率的增加，交叉极化开始减小。在BD₃波段，背瓣和副瓣的增益高于主瓣，并且RHCP的增益比LHCP低25dB以上，显示出良好的交叉极化特性。

如图7所示，仿真(Simulated)和实测(Measured)的S₁₁结果如图5所示，纵坐标为回波损耗。测量的阻抗频带可以覆盖1261-1272MHz，其最深谐振点在1265MHz时为-15.1dB。与仿真结果相比，在-10dB阻抗带宽为1263-1274MHz的情况下，测量的频带有轻微的左偏移。

如图8所示，对于圆极化参数——测量的轴比，其带宽比仿真的(1267-1270MHz)宽，可以覆盖1265-1269.6MHz，其中包括BD₃频段。测量中的最低轴比数据在1267MHz时为1.56dB，与BD3频段的偏差为1.5MHz，而在BD3频段测得的轴比约为2.3dB。本申请天线的轴比较小，在较宽的范围内在工程上产生了圆极化(轴比3以下)。

如图9所示，天线在BD₃波段具有从–80.1°到80.6°的宽仿真3dB圆极化波束宽度。当测得的3dB圆极化波束宽度从-60.5°覆盖到63.6°时，总共减少了约36.6°。这是因为制造误差导致频率偏差，导致目标频率点BD3处的圆极化更高。

如图10所示，工作频带的测量增益比仿真结果高0.3-0.4dBic。在1266MHz时，最大增益可达2.87dBic，而在BD₃处的增益约为2.81dBic。

如图11所示，为了获得该天线的相位中心，使用CST Studio软件对天线的结构进行建模和仿真，得到天线的仿真相位中心与频率的关系图。可以观察到，相位中心在BD₃频段的偏差约为0.13mm，在1260至1270MHz频段上的偏差小于0.17mm，因此，相位中心偏差小，天线的小型化程度更高，并具有更好的性能。

本申请提出了一款应用于北斗导航定位系统中的BD₃频段的圆极化微带天线，结构紧凑，在正方形辐射贴片的对角设置了对称的等腰直角三角形结构的切槽，采用了高介电常数的介质基板(例如：介电常数为16)，并综合曲流技术(在辐射贴片的中心引入X形槽)，实现了天线的小型化和圆极化，天线的整体尺寸仅为43mm*43mm*2.5mm(电尺寸：0.18λ₀*0.18λ₀*0.01λ₀)，与现有技术的相似天线对比，本申请的电尺寸是极具竞争力的。

经过实际加工和实验验证，天线的实测结果与仿真吻合度较高，实际的-10dB阻抗带宽和3dB轴比带宽均能覆盖目标频段BD3频段(1268.5MHz)，在工作频段内，天线的方向图保持稳定的增益和单向辐射性，以及相对低的交叉极化特性，具有稳定的方向性和相位中心，具有在北斗导航与定位系统中应用的潜力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种小型化圆极化北斗天线，其特征在于，包括：辐射贴片和介质基板；

所述介质基板的介电常数大于3.7。

2.根据权利要求1所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，所述辐射贴片的中央设有X形槽。

3.根据权利要求2所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，所述X形槽的两条边呈轴对称分布，且分别与所述辐射贴片的两条对角线重合。

4.根据权利要求1至3任一项所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，还包括：地板；所述地板设在所述介质基板的底部。

5.根据权利要求4所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，还包括：馈电探针；

6.根据权利要求5所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，所述辐射贴片上设有连接点，以与所述馈电探针的内导体相连；

所述连接点与所述辐射贴片的中央不重合。

7.根据权利要求1至3任一项所述的小型化圆极化北斗天线，其特征在于，所述辐射贴片的面积小于所述介质基板的面积。