CN101752664A - 基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、中层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器；上层微带天线结构为环形天线，两金属圆片是分别以两点为圆心的小圆片，两金属圆片分别位于两圆弧与内圆区域内；底层Wilkinson功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线以及贴片电阻组成；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线或第二低阻抗线的特征阻抗z₀的

倍；上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板均为陶瓷介质。该天线馈电机制采用两个圆形金属片，产生两幅度相同且相互正交的电流源，拓展环形金属天线中的轴比带宽，增加天线的调节的自由度。

Description

基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线

技术领域

本发明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***的B1频段(1561.098MHz)、B1-2频段(1589.742MHz)，美国的GPS***L1频段(1575.42MHz)和欧洲GLONASS的L1频段(1602.56-1615.50MHz)的多个导航***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***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***融合的全球性导航卫星***的集合。

随着各导航***的发展，多***并存、多模融合步伐将进一步加快，单一的GPS***时代正在转变为多星座并存且兼容的全球导航卫星***(GNSS)时代，在可以预见的将来，覆盖各国领土的卫星导航***将包括GPS、GLONASS、GALILEO和北斗卫星导航***四大***。各个***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***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***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***。因此，开发同时兼容上述卫星导航***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***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***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***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***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***导航兼容型天线设计中的一大难题。不管从电性能方面来说，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***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***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。

发明内容

本发明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***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。

本发明利用正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，实现了圆极化天线性能，其天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽都涵盖了北斗B1、GPS L1、北斗B1-2和GLONASS L1等三个全球卫星定位***的四个频段，此外还具有小型化，结构紧凑，便于加工和应用的特点。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、中层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器；上层介质基板和中层介质基板叠在一起形成环形金属辐射体的介质复合基板，上层微带天线结构和金属地板层分别附着在该介质复合基板上下两面；金属层地板下表面与介质基板连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板下表面；

所述上层微带天线结构包括环形天线，在环形天线1内圆边界上设有向外突出的两段圆弧，两段圆弧分别以距环形天线内圆边界相同距离两点为圆心，两点与环形天线的圆心的连线的夹角为90°；两金属圆片是分别以两点为圆心的小圆片，两金属圆片的分别位于两圆弧与内圆区域内；

所述底层Wilkinson功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线以及贴片电阻组成；高阻线和贴片电阻连接成环形结构，第一低阻抗线和第二低阻抗线的一端分别与两金属圆片在下层介质基板下表面投影点连接，第一低阻抗线和第二低阻抗线的另一端分别与高阻线和贴片电阻连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线的特征阻抗均为z₀；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线或第二低阻抗线的特征阻抗z₀的

倍，贴片电阻的阻抗值为z₀的2倍；

上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板和金属地板层位于两金属圆片下端设有两个圆形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线；两馈电同轴线分别将两金属圆片与第一低阻抗线、第二低阻抗线连接在一起；

上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板均为陶瓷介质。

为进一步实现本发明的目的，所述上层介质基板的介电常数比中层介质基板的介电常数高。

所述金属圆片为铜片或银片，对上层微带天线进行耦合馈电。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

(1)所述天线采用双馈耦合馈电和三层介质，拓展轴比带宽和阻抗带宽。实施例中在轴比小于1.65的情况下，频率范围为1.55～1.685GHz，带宽达到135MHz，增益大于2.5dB的情况下频率范围为1.545～1.615GHz，增益带宽达到70MHz；而回波损耗在1.55～1.7GHz频率范围内小于-15dB，使得阻抗带宽大于250MHz。

(2)天线由圆金属片正交耦合馈电，避免了由陶瓷介质高介电常数和环形天线带来的高阻抗匹配难度大的问题，增加了调节的自由度，便于生产环节的调试。

(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)天线采用陶瓷介质和环形天线结构，有效地减少了天线的体积，拓展了波束宽度。

(5)天线采用正交耦合馈电技术和低损耗的三层陶瓷材料改善了天线的匹配性能和辐射效率，使得本发明天线具有良好的天线增益。

附图说明

图1为本发明的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为底层Wikinson功分器的示意图；

图3a为本发明的回波损耗示意图；

图3b为本发明的轴比示意图；

图3c为本发明的增益示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施做详细说明，但本发明要求的保护范围不限于下述的实施方式。

如图1、2a、2b所示，基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，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13、中层介质基板14、金属地板层8、下层介质基板15和底层Wilkinson功分器。上层介质基板13和中层介质基板14叠在一起形成环形金属辐射体的介质复合基板，上层微带天线结构和金属地板层8分别附着在该介质复合基板上下两面；金属层地板8下表面与介质基板15连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板15下表面。

上层微带天线结构包括环形天线1，环形的内径为R_in，外径为R_out，圆环的平均半径(R_in+R_out)/2和上层介质基板13及中层介质基板的介电常数一起决定天线的谐振频率，具体的公式为 $\frac{R_{\mathrm{in}}+R_{\mathrm{out}}}{2}=\frac{300}{2p{f}_c\sqrt{e_{\mathrm{rc}}}};$ 式中f_c是工作频率，对同时工作在中国北斗二代B1频段、B1-2频段，美国的GPS***L1频段(1575.42MHz)和欧洲GLONASS的L1频段(1602.56-1615.50MHz)的多个导航***可取f_c＝1.575GHz；

是多层介质叠放之后的等效相对介电常数，h_i是上层介质基板13、中层介质基板14、下层介质基板15的厚度，e_ri是各层介质的相对介电常数，n是天线所用介质层的数目，本例n＝3。在环形天线1内圆边界上设有向外突出的两段圆弧2、3，两段圆弧2、3分别以环形天线1内圆边界上两点A、B为圆心，两点A、B分别与环形天线1的圆心的连线的夹角为90°；两金属圆片4、5是分别以两点A、B为圆心的小圆片，两金属圆片4、5的分别位于两圆弧2、3与内圆区域内。

底层Wilkinson功分器层由高阻线11、第一低阻抗线11x、第二低阻抗线11y以及贴片电阻12组成。高阻线11和贴片电阻12连接成环形结构，第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y的一端分别与两金属圆片4、5在下层介质基板15下表面投影点连接，第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y的另一端分别与高阻线11和贴片电阻12连接。具体是高阻线11两端分别与第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y的另一端连接，贴片电阻12的两端分别焊接在第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y与高阻线11的连接点上。高阻线11的特征阻抗为第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y的特征阻抗z₀的

倍，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相等的负载时完全匹配。

上层介质基板13、中层介质基板14、下层介质基板15和金属地板层8位于两金属圆片4、5下端设有两个圆形挖孔9、10，分别用于设置两馈电同轴线6、7；两馈电同轴线6、7分别将两金属圆片4、5与第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y连接在一起；两个圆形挖孔9、10与两馈电同轴线6、7的轴线同圆心。

两馈电同轴线6、7的位置应满足两个馈电点之间幅度相等相位正交的要求，即当底层Wilkinson功分器的第一低阻抗线11x和第二低阻抗线11y之间信号幅度相同且相位正交时，两馈电同轴线6、7的中心与环形天线1的中心之间的连线构成的夹角为90度，两馈电同轴线6、7与圆弧2、3之间的距离越大则输入阻抗越小，根据天线的馈电端口阻抗可以通过遗传算法(GeneticAlgorithm)等优化算法得到。金属圆片4、5的直径，圆弧2、3的半径大小，共同影响天线的阻抗匹配：两圆弧2、3与金属圆片之间的距离越大则天线的输入阻抗越大；但金属圆片4、5的直径和输入阻抗的关系并不满足线性关系，在设计的过程中需要采用遗传算法(Genetic Algorithm)等优化算法结合圆弧2、3的半径大小进行优化。由于采用了耦合馈电方式，消除了环形天线工作在TM11模式和采用高介电常数材料带来的高输入阻抗问题，使天线的输入阻抗更易于与馈电端口阻抗匹配。两馈电点分别与环形天线圆心的连线成90°，且与圆心的距离相等，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6的微带线11x要比连接到同轴线7的微带线11y长l/4(l为下层介质基板15中的等效波长，可通过公式 $l=c/\left(f\sqrt{e_{\mathrm{eff}}}\right)$ 计算得到，其中c是光在真空中的速度，f是工作频率，e_eff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 $e_{\mathrm{eff}}=\frac{e_r+1}{2}+\frac{e_r-1}{2}{(1+12h/w)}^{-1/2}.$ h是介质厚度，w是微带线宽度)，保证同轴线6中的相位比同轴线7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。

上层微带天线结构与底层Wilkinson功分器层共用金属地板层8，有效地减少天线体积，使结构更加紧凑。

上层介质基板13、中层介质基板14和下层介质基板15均为陶瓷介质，其中，上层介质基板13的介电常数比中层介质基板14的介电常数要高。上层介质基板13具有高介电常数的特点，能够有效的减小天线体积。中层介质基板14的介电常数比上层介质基板13的要低，有效的减小了由于具有高介电常数特性的上层介质基板13带来的高阻抗的影响，拓展了阻抗带宽，保证了天线的匹配。中层介质基板14的介电常数小于上层介质基板13可以减小整体介电常数，拓展天线带宽。

实施后得到的结果如图3所示。从图3a中可以看到，在北斗B1，B1-2，GPS L1，GLONASS L1所在的1.55～1.615GHz频段内，回波损耗S11＜-15dB，从图3b中可以看到，在上述频带内轴比AR＜1.65dB，从图3c中可以看到在1.55～1.615GHz频带内，增益Gain＞2.5dB，增益的最大值在1.575GHz为4.1dB。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/B1-2，GPSL1和GLONASS L1等频段，使得天线在上述频段内具有良好的性能。

Claims (3)

1.一种基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，其特征在于包括上层微带天线结构、上层介质基板、中层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器；上层介质基板和中层介质基板叠在一起形成环形金属辐射体的介质复合基板，上层微带天线结构和金属地板层分别附着在该介质复合基板上下两面；金属层地板下表面与介质基板连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板下表面；

所述上层微带天线结构为环形天线，在环形天线内圆边界上设有向外突出的两段圆弧，两段圆弧分别以距环形天线内圆边界相同距离两点为圆心，两点与环形天线的圆心的连线的夹角为90°；两金属圆片是分别以两点为圆心的小圆片，两金属圆片分别位于两圆弧与内圆区域内；

所述底层Wilkinson功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线以及贴片电阻组成；高阻线和贴片电阻连接成环形结构，第一低阻抗线和第二低阻抗线的一端分别与两金属圆片在下层介质基板下表面投影点连接，第一低阻抗线和第二低阻抗线的另一端分别与高阻线和贴片电阻连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线的特征阻抗均为z₀；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线或第二低阻抗线的特征阻抗z₀的

倍，贴片电阻的阻抗值为z₀的2倍；

上层介质基板、中层介质基板、下层介质基板和金属地板层位于两金属圆片下端设有两个圆形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线；两馈电同轴线分别将两金属圆片与第一低阻抗线、第二低阻抗线连接在一起；

上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板均为陶瓷介质。

2.根据权利要求1所述的基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述上层介质基板的介电常数比中层介质基板的介电常数高。

3.根据权利要求1所述的基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，其特征在于：所述金属圆片为铜片或银片。

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