北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線的製作方法
2023-07-15 21:37:16 2
北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線的製作方法
【專利摘要】北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，涉及一種雙頻微帶天線。設有介質基板，在介質基板的上表面設有矩形貼片，在矩形貼片四邊中點對稱開有矩形槽，每槽寬邊中心處垂直連接耦合臂，延伸到矩形外邊緣後逆時針彎折，形成「卍」字臂加載，加載末端與矩形天線外緣形成容性耦合閉環；「卍」字臂由兩個尺寸接近的矩形直臂組成，夾角為90°；上下矩形槽的長度及連接的折臂的每個矩形直臂長度比左右矩形槽長度及折臂的每個矩形直臂長度長0.1mm；在介質基板的下表面設有接地板。結構新穎、調控靈活、回波損耗低、增益高、滿足圓極化、接收與發射信號頻道幹擾小，可用於北鬥系統收發頻段的北鬥系統。
【專利說明】北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雙頻微帶天線，尤其是涉及一種應用於北鬥衛星導航定位系統的小型化收發一體的北鬥系統帶「卍」字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線。
【背景技術】
[0002]衛星導航系統是重要的空間基礎設施，隨著導航技術的不斷創新，衛星導航系統廣泛應用於測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等諸多關乎民生民計的領域，同時具有重大的政治和軍事意義。我國作為世界上最大的發展中國家，已經開發出繼美國GPS、俄羅斯格洛納斯和歐洲伽利略之後的第四大全球衛星導航系統——北鬥衛星導航定位系統。
[0003]北鬥衛星導航定位系統(BeiDou)是中國自主研發的區域性有源三維衛星定位與通信系統。到目前為止，中國已成功發射了 4顆北鬥一號導航定位衛星和16顆北鬥二號導航定位衛星，已建成北鬥一號導航試驗系統，並正在建設覆蓋全球的北鬥二號衛星定位系統。該導航系統已具備在中國及周邊區域的定位、導航、授時服務和短報文通信服務。
[0004]天線是衛星導航系統的關鍵部件，天線的優劣直接影響衛星導航系統性能的好壞。隨著衛星技術的不斷進步，人們對天線的需求向著小型化、寬帶化和多頻化等方面發展。對於北鬥衛星導航定位系統是主動式雙向測距二維導航，用戶終端必須包含發射機，這就對北鬥終端天線提出較高要求。北鬥衛星導航定位系統工作於上行L頻段(左圓極化)和下行S頻段(右圓極化)，因此北鬥天線的多頻化和圓極化就成了研究的重點。
[0005]隨著衛星導航定位系統的廣泛應用，對衛星導航定位系統接收天線的研究層出不窮，目前常用的衛星終端天線有單極子天線、雙極子天線、四臂螺旋天線、螺旋天線和微帶天線。微帶天線因具有剖面低、體積小、重量輕、可共形、易集成、饋電方式靈活、便於獲得線極化和圓極化等優點，已在移動通信，衛星通訊，飛彈遙測，都卜勒雷達等許多領域獲得了廣泛的應用(J.R.James and P.S.Hall.Handbook of Microstrip Antennas[M].Peter Peregrinus Ltd.(IEE), London, 1989:71-81 ；1.J.BAHL, P.BHARTIA.MicrostripAntennas [M].Artech House (Dedham, Mass.), 1980:60-71)。微帶天線福射貼片的形狀是影響天線性能的重要因素之一，直接影響著天線的帶寬、頻率、增益和極化等指標。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種結構新穎、調控靈活、回波損耗低、增益高、滿足圓極化、接收與發射信號頻道幹擾小，可用於北鬥系統收發頻段的北鬥系統帶「卍」字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線。
[0007]本發明設有介質基板，在介質基板的上表面設有矩形貼片，在矩形貼片四邊中點對稱開有矩形槽，每槽寬邊中心處垂直連接耦合臂，延伸到矩形外邊緣後逆時針彎折，形成「卍」字臂加載，加載末端與矩形天線外緣形成容性耦合閉環；「卍」字臂由兩個尺寸接近的矩形直臂組成，夾角為90° ;上下矩形槽的長度及連接的折臂的每個矩形直臂長度比左右矩形槽長度及折臂的每個矩形直臂長度長0.1mm ;在介質基板的下表面設有接地板。
[0008]所述矩形貼片的邊長可為10?30mm，矩形貼片的各邊矩形開槽的長度可為4?16mm,寬度可為2?6_ ;矩形直臂的長度可為6.5?12mm,寬度可為0.5?3_。
[0009]所述介質基板的介電常數可為6?20，優選10，所述介質基板可採用矩形基板，矩形基板的邊長可為40?60mm,厚度可為2?4mm,優選邊長為50mm,厚度為3mm。
[0010]本發明利用加載開槽技術，加入微擾，改變輻射貼片表面電流分布，改變貼片不同的自然模的場分布，幹擾其諧振頻率，再通過調整饋點位置，激發分離出兩個幅度相同正交極化的簡併模，從而實現雙頻圓極化。通過開槽和加載結構的尺寸可以保證天線的工作頻點滿足北鬥衛星導航定位系統的上下行頻段要求和圓極化要求。
[0011]通過本發明的加載技術，可以增加遠場區產生的電場對應的等效磁流大小，從而提高天線在天頂處的增益。並且通過改變開槽和加載臂的對稱性，增大上下直臂和開槽的邊長，對貼片造成微擾，從而實現雙頻圓極化特性。
[0012]本發明與常規微帶天線相比具有如下優點:
[0013]1.易於實現圓極化。由於採用了加載開槽技術，通過加載四個「卍」字臂結構和開槽的對稱性，形成了 4個互成90°的電流，設置饋電位置產生相位相差90°的正交極化簡併模，從而實現天線的圓極化。
[0014]2.易於實現雙頻特性。通過調節所加載的「卍」字臂結構、開槽和中心貼片的尺寸，形成雙頻工作頻帶:L頻段與S頻段，L頻段為1.615?1.625GHz,絕對帶寬為10MHz，相對帶寬為0.62% ；S頻段為2.487?2.499GHz，絕對帶寬為12MHz，相對帶寬為0.44%。
[0015]3.易於實現天線小型化。一是採用了高介電常數基板，使得微帶貼片天線的尺寸縮小。二是採用了開槽技術，減小了天線的尺寸。三是加載了彎曲的四個「卍」字臂結構，通過對加載臂的彎曲進一步減小天線的尺寸。
[0016]綜上所述，本發明具有高對稱性、高集成度、小型化、輻射特性好、增益高等優異的綜合特性、並且成本低並易於集成，可滿足北鬥衛星導航定位系統對天線的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例的結構示意圖。
[0018]圖2為本發明實施例的側面示意圖。
[0019]圖3為本發明實施例的回波損耗(Sll)性能圖。其中橫坐標表示頻率Frequency(GHz),縱坐標表示回波損耗強度The return loss of the Antenna(dB);在圖中坐標為直角坐標。
[0020]圖4為本發明實施例在L頻段的E面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
[0021]圖5為本發明實施例在L頻段的H面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
[0022]圖6為本發明實施例在S頻段的E面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
[0023]圖7為本發明實施例在S頻段的H面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
【具體實施方式】
[0024]以下實施例將結合附圖對本發明作進一步說明。
[0025]參見圖1和2，本發明實施例採用有介電常數為10的矩形形陶瓷介質基板1，其各邊長為50mm，高為3mm。在陶瓷介質基板I的兩面覆有銅，其上表面為開槽加載的敷銅層2，其基本形狀為矩形。在敷銅層2的中心矩形貼片四邊中點對稱開有矩形槽孔，且上下矩形槽孔和左右矩形槽孔大小長度略有不同。矩形槽孔的相關參數對應如下:上下矩形槽孔的長度為5.10mm±0.10mm,左右矩形槽孔的長度為5.00mm±0.10mm,四個矩形槽孔寬均為3mm±0.5mm。同時，垂直於矩形貼片各邊開槽的寬邊中心處加載有「卍」字臂結構，「卍」字臂可由兩個尺寸接近的矩形直臂組成，夾角一般取90°。其中，上下矩形直臂的長為
8.40_±0.1Omm,左右矩形直臂的長為8.31mm±0.10mm,各直臂的寬度均為lmm±0.5mm。陶瓷介質基板I的下表面為全部敷有銅層的接地板3，作為微帶天線的反射板。圖1中標記4為饋電點，它是半徑為0.5mm±0.1mm,高度為3mm±0.1mm穿過陶瓷介質基板的空心圓柱。本發明中採用銅軸線偏心饋電的形式，如圖2所示，這種饋電形式使得天線的Sll更低，增益增大。其中，銅軸線的內芯通過饋孔與矩形貼片2連接，而銅軸線的外芯與陶瓷介質板下表面的接地板3相連。
[0026]參見圖3，從圖3中可以看出，本發明天線的工作頻段為1.615~1.625GHz和
2.487~2.499GHz，在這兩個工作頻段內天線的回波損耗(Sll)都在-1OdB以下，在L頻段內的最小回波損耗為-23.6884dB，在S頻段內的最小回波損耗為-17.2145dB。表明本天線在這兩個工作頻段的回波損耗性能都達到要求指標。本發明天線在L頻段的絕對帶寬和相對帶寬分別為=IOMHz和0.62% ;在S頻段的絕對帶寬和相對帶寬分別為:12MHz和0.44%，因而可以很好地應用於北鬥衛星導航定位系統中。
[0027] 參見圖4~7，其中圖4和5為1.616GHz頻點的E面及H面方向圖，圖6和7為
2.492GHz頻點的E面及H面方向圖。從圖中可以看出，本發明具有定向輻射特性，可滿足北鬥衛星導航定位系統的要求，輻射性能優越。
[0028]參見表1，給出了本發明的製造加工誤差對天線特性兩個工作頻點的影響情況。
[0029]表1
[0030]
【權利要求】
1.北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於設有介質基板，在介質基板的上表面設有矩形貼片，在矩形貼片四邊中點對稱開有矩形槽，每槽寬邊中心處垂直連接耦合臂，延伸到矩形外邊緣後逆時針彎折，形成「卍」字臂加載，加載末端與矩形天線外緣形成容性耦合閉環；「卍」字臂由兩個尺寸接近的矩形直臂組成，夾角為90° ;上下矩形槽的長度及連接的折臂的每個矩形直臂長度比左右矩形槽長度及折臂的每個矩形直臂長度長0.1mm ;在介質基板的下表面設有接地板。
2.如權利要求1所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述矩形貼片的邊長為10?30mm。
3.如權利要求1所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述矩形貼片的各邊矩形開槽的長度為4?16mm，寬度為2?6mm。
4.如權利要求1所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述矩形直臂的長度為6.5?12mm,寬度為0.5?3mm。
5.如權利要求1所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述介質基板的介電常數為6?20。
6.如權利要求5所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述介質基板的介電常數為10。
7.如權利要求1所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述介質基板採用矩形基板。
8.如權利要求7所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述矩形基板的邊長為40?60mm,厚度為2?4mm。
9.如權利要求8所述北鬥系統帶卍字臂閉環耦合調控的矩形開槽雙頻微帶天線，其特徵在於所述矩形基板的邊長為50mm,厚度為3_。
【文檔編號】H01Q15/24GK103682612SQ201310733004
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】遊佰強, 孫越, 周建華, 李立之, 金琬晴 申請人:廈門大學