CN102394364A

CN102394364A - Wifi北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线

Info

Publication number: CN102394364A
Application number: CN2011101920178A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 王天石; 周志微; 周建华
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CN102394364B

Abstract

WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，涉及缝隙阵列陶瓷天线。设陶瓷介质基板，基板上表面为带有矩形阵列孔加载耦合腔的三缝隙矩形辐射贴片，辐射贴片上设3对缝隙阵列，2对缝隙阵列与辐射贴片长边平行，第3对缝隙阵列与辐射贴片长边垂直，且与最近贴片宽边的距离为贴片长边的1/8；在缝隙阵列辐射贴片上设有矩形阵列孔洞，矩形阵列孔洞加载耦合腔取对称分布，矩形加载耦合腔阵列由4～10个矩形小孔组成并分别加载于缝隙阵列两端，基板下表面为圆形孔阵列光子带隙结构并采用4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，每组由多排圆孔组成L带隙形阵列。回波损耗低、增益高、干扰小且具有定向辐射特性，兼容WIFI频段。

Description

WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种改进缝隙阵列陶瓷天线，尤其是涉及一种用于北斗卫星多频点兼容WIFI***的小型化分布加载耦合腔的陶瓷天线。

背景技术

自2000年以来，中国已成功发射了4颗北斗一号导航定位卫星和7颗北斗二号导航定位卫星，已建成北斗一号导航试验***，并正在建设覆盖全球的北斗二号卫星定位***。天线作为卫星通信***必不可缺少的一部分，直接决定着卫星通信***的性能。我国的北斗二号卫星通信***工作于B1和B3频段、上行(发射频率)L频段和下行(接收频率)S频段。通常使用双频或多频来补偿电离层传播造成的延时，这就要求天线在各个频率上都具有良好的工作性能。另外，由于卫星通信信号是圆极化波，天线应该呈现圆极化。在信息技术迅猛发展的今天，随着卫星通信***的广泛应用，对卫星通信***接收天线的研究层出不穷，如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的以及微带天线结构，均可用于卫星通信***的各种天线中。传统的微带天线因具有剖面低、体积小、重量轻、可共形、易集成、馈电方式灵活、便于获得线极化和圆极化等优点，已在移动通信，卫星通讯，导弹遥测，多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用，但增益有限一直是微带天线的缺陷。随着数字通信技术的不断发展，无线网络不再仅仅是计算机链接网络上网的一种手段，它无线移动的优势为人们带来更为全面、新颖、快捷、廉价的沟通方式。目前，WIFI多被应用在机场、车站、咖啡厅、图书馆等人员比较密集的场所，WIFI应用手机等移动设备，实现随时随地收发邮件、浏览网页等功能。

从1972年出现微带缝隙天线以后，越来越多的研究表明其优点相当突出，如馈电网络和辐射单元相对分离；对制造公差要求要比贴片天线低；在组阵时其单元间隔可比贴片天线更大；对于高速飞行器而言，很容易地就可满足与其表面的共形；在移动通信技术领域，可作为基站天线或便携式天线。因此，对微带缝隙天线进行深入研究具有十分重要的工程价值和理论意义。

加载耦合腔技术也是天线工程中常用的实现小型化与宽带化的方法，通过在天线的适当位置加载电阻、电抗或导体来改善天线中的电流分布，从而达到改变天线的谐振频率，或者在同样的工作频率下降低天线的高度以及改变天线的辐射方向图等目的。加载的元件可以是无源器件也可以是有源网络，可以是线性元件也可以是非线性的，实际工程中最常用的是无源加载，如顶部加载、介质加载、串联分布加载、集中加载等。对于工作频率不高的情况常采用集中加载，而在工作频率较高时则采用分布加载，因此通过加载技术是实现天线小型化最有效的途径。多频兼容的天线的信号可按需在背部接地板阻抗匹配部位用国标接头引出。

有关的参考文献如下：

[1]G John D.Kraus，Ronald J.Marhefka，“Antennas for all applications”，New York：Mc-Graw-Hill，2002。

[2]李庆利，薛永琪，施鹏飞，北斗DR组合导航融合算法及其在物流中的应用[J]，小型微型计算机***，2005，12：2150-2154。

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[5]B.You，B.Lin，J.Zhou，and W.Xu，“Dual-frequency folded dipole antenna with PBGstructure”，Electronics Letters，2009，45(12)：594-595。

[6]Baiqiang You，Jianhua Zhou，Hao Chen，“The Application of PBG Configuration in PlanarSpiral Antenna”，Proceedings of 2007 IEEE International Workshop on Anti-counterfeiting，Security and Identification(ASID，16Apr-18Apr 2007，Xiamen，China)，32-35。

[7]Weiwen Li，Lishao Cai，Baiqiang You，“Pattern Bandwidth Improving of PrintedNotched-Monopole Antenna”，2009-PrimeAsia-09-Shang Hai，2009，101-104。

[8]JANG Y W.，“Broadband Cross-Shaped Microstrip-Fed Slot Antenna”[J]，Electron Letters，2000。

将缝隙阵列、分布加载耦合腔调控技术、光子带隙结构结合起来，并应用于卫星***的天线设计还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回波损耗低、增益高、干扰小且具有定向辐射特性，并且兼容WIFI频段，可按需求灵活方便地锁定于北斗系列卫星定位***和WIFI中，也可兼容其他通信频段的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线。

本发明设有陶瓷介质基板，所述陶瓷介质基板的两个表面上敷有金属良导体，所述陶瓷介质基板的上表面为带有矩形阵列孔加载耦合腔的三缝隙矩形辐射贴片，在三缝隙矩形辐射贴片上设有3对缝隙阵列，其中2对缝隙阵列与辐射贴片长边平行，且与最近贴片长边的距离分别为贴片宽边的1/6和1/4；第3对缝隙阵列与辐射贴片长边垂直，且与最近贴片宽边的距离为贴片长边的1/8；在缝隙阵列辐射贴片上设有矩形阵列孔洞，所述矩形阵列孔洞加载耦合腔取对称分布，矩形加载耦合腔阵列由4～10个矩形小孔组成，所述4～10个矩形小孔分别加载于缝隙阵列两端，矩形加载耦合腔宽度均为0.6～1.2mm，长度均为11～1.5mm；所述陶瓷介质基板的下表面为圆形孔阵列光子带隙结构，所述圆形孔阵列光子带隙结构采用4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，其中每组由多排圆孔组成L带隙形阵列，每个圆孔的半径为0.2～1mm，每行中相邻两个孔的圆心间距为1～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的长边间距均为1.5～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的宽边间距均为1.5～3mm。

所述金属良导体可采用铜或银等。

所述3对缝隙阵列从长边到短边的距离可为15～22mm、10～17mm和4～9mm，缝隙阵列宽度可为0.5～1.5mm。

所述矩形小孔可为8个。所述矩形加载耦合腔宽度最好为1mm，长度最好为1.3mm。

可以通过调节缝隙阵列的长度以及矩形加载耦合腔的长度和宽度来灵活控制频点位置和增益。

所述圆形孔阵列光子带隙结构可采用4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，其中每组可由7个圆孔组成L带隙形阵列。每个圆孔的半径可为0.6mm，每行中相邻两个孔的圆心间距可为2.2mm；L形光子带隙与矩形介质基板边界的长边间距均为1.5～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的宽边间距均为2mm。

本发明与常规微带天线相比具有如下优点：

本发明使用分布加载耦合腔技术，利用缝隙阵列的宽频带/多频叠加/高辐射电阻等优点，并结合接地面的PBG结构，通过系列技术的综合优化，实现了天线的小型化，能够很好地满足北斗卫星通信***和WIFI等的要求。

由于采用以上结构，因此本发明具有定向辐射的特点，并且可以实现智能可控。

由于采用以上结构，因此可以合理地优化良导体辐射面上矩形加载耦合腔孔的大小以及良导体接地面PBG方形孔的大小，按需覆盖北斗卫星通信***与和WIFI等的所有频段，使其达到优良的电磁特性。

综上所述，本发明具有尺寸小、辐射特性好、受环境因素影响小、成本低并易于集成等优点，可满足北斗卫星通信***与和WIFI等对天线的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线的结构示意图。

图2为本发明实施例的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线的PBG结构示意图。

图3为本发明实施例的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线的主视结构示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。在图4中，坐标为直角坐标，横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标为回波损耗S11(dB)；m1为1.2325GHz，-19.6754dB；m2为1.5775GHz，-32.7853dB；m3为2.3825GHz，-30.2303dB。

图5为本发明实施例1.233GHz频点的E面方向图。在图5中，坐标为极坐标。

图6为本发明实施例1.577GHz频点的E面方向图。在图6中，坐标为极坐标。

图7为本发明实施例2.383GHz频点的E面方向图。在图7中，坐标为极坐标。

图8为本发明实施例所采用的基底的介电常数变换曲线图。在图8中，横坐标为频率Frequency(GHz)，纵坐标为回波损耗S11(dB)；符号■为DK＝7；▲为DK＝8；

为DK＝9；◆为DK＝10；●为DK＝11；◎为DK＝12。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参照图1与图2，本发明设有双面镀铜的陶瓷介质基板1，其长为50mm，宽为20mm，高为2mm。在陶瓷介质基板1的两面覆有铜，上表面为带有一对缝隙阵列4、一对缝隙阵列5、一对缝隙阵列6和矩形加载耦合腔孔3的覆铜层2。其中，覆铜层2的边长为42mm±0.01mm，覆铜层2的边宽为19mm±0.01mm，矩形加载耦合腔孔3的边长为1.3mm±0.01mm，矩形加载耦合腔孔3的边宽为1mm±0.01mm。在覆铜层2中，矩形加载耦合腔孔3是对称分布地分别加载于缝隙阵列两端。陶瓷介质基板1的下表面为带有PBG结构9的覆铜层8，PBG结构9为4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，其中每组由7个圆形组成L形阵列。每个圆形孔的半径为0.6mm±0.01mm，每行中相邻两个孔的圆心间距为2.2mm±0.01mm；L形光子带隙与矩形介质基板边界的长边间距均为2mm±0.01mm，其与矩形介质基板边界的宽边间距均为2mm±0.01mm。图1中标注7为馈电孔，它的半径为0.5mm±0.01mm，是高度为2mm±0.01mm穿过陶瓷介质基板的空心圆柱。本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电，如图3所示，这种馈电形式使得天线的S₁₁更低，增益增大。其中，铜轴线的内芯通过馈孔与矩形贴片2连接，而铜轴线的外芯与陶瓷介质板下表面的反射板8相连。

参见图4，从图4中可以看出，本发明天线的工作频段为2.519～2.521GHz。此工作频段内天线的回波损耗(S₁₁)都在-10dB以下，在2.52GHz处的最小回波损耗为-22.4dB，表明在整个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求指标。本发明天线在2.52GHz的绝对带宽与相对带宽分别为0.002G与0.079％，带宽很窄，但是性能稳定能够定向辐射，因而可以很好地应用于北斗与GPS等卫星通信***中。

参见图5～7，图5为1.233GHz频点的E面图，图6为1.577GHz频点的E面方向图，而图7为2.383GHz频点的E面方向图。从图中我们看出本发明具有定向辐射特性，可以满足北斗卫星与WIFI***的要求，天线在1.577GHz和2.383GHz两个频点的增益分别为2.0457dB和4.6dB，辐射性能优越。

参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

本发明的制造加工误差对天线各参数的影响非常大，需要制作过程非常精细。例如，帖片上尺寸、缝隙的宽度、缝隙与各边的间距、陶瓷介质基板的尺寸、介质板敷金属良导体层的厚度、馈电点位置等误差控制在0.01％以内，以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在0.1％以内时，天线的各项参数变化不大。

本发明的实施例给出了一款三频段智能可控的兼容北斗多频段卫星定位***天线，并且兼容WIFI频段。智能可控性可以通过调整基底的介电常数、厚度和缝隙阵列的缝隙宽度来调整频点的位置，在图8中说明了调整基底的介电常数对频点的影响。实施例中的高性能介质基板材料可采用介电性能好的改性环氧复合陶瓷板为基底，基板的相对介电常数大于6，典型值可取相对介电常数为8。陶瓷介质板的长为32～56mm，宽为16～28mm，厚度为1.5～4mm，天线的典型尺寸为50mm×20mm×2mm的长方体。

在图8中说明了调整基底的介电常数对频点的影响。实施例中频点为1.233GHz、1.577GHz和2.383GHz，其工作频段对应为1.2275～1.2375GHz、1.5350～1.6175GHz和2.3075～2.460GHz，绝对带宽对应为10MHz、82.5MHz和152.5MHz，相对带宽对应为0.914％、5.234％和6.397％。

表1

注：表中数据已有一定冗余，各参数之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计。

Claims

1.WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于设有陶瓷介质基板，所述陶瓷介质基板的两个表面上敷有金属良导体，所述陶瓷介质基板的上表面为带有矩形阵列孔加载耦合腔的三缝隙矩形辐射贴片，在三缝隙矩形辐射贴片上设有3对缝隙阵列，其中2对缝隙阵列与辐射贴片长边平行，且与最近贴片长边的距离分别为贴片宽边的1/6和1/4；第3对缝隙阵列与辐射贴片长边垂直，且与最近贴片宽边的距离为贴片长边的1/8；在缝隙阵列辐射贴片上设有矩形阵列孔洞，所述矩形阵列孔洞加载耦合腔取对称分布，矩形加载耦合腔阵列由4～10个矩形小孔组成，所述4～10个矩形小孔分别加载于缝隙阵列两端，矩形加载耦合腔宽度均为0.6～1.2mm，长度均为1.1～1.5mm；所述陶瓷介质基板的下表面为圆形孔阵列光子带隙结构，所述圆形孔阵列光子带隙结构采用4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，其中每组由多排圆孔组成L带隙形阵列，每个圆孔的半径为0.2～1mm，每行中相邻两个孔的圆心间距为1～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的长边间距均为1.5～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的宽边间距均为1.5～3mm。

2.如权利要求1所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述金属良导体为铜或银。

3.如权利要求1所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述3对缝隙阵列从长边到短边的距离为15～22mm、10～17mm和4～9mm，缝隙阵列宽度为0.5～1.5mm。

4.如权利要求1所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述矩形小孔为8个。

5.如权利要求1所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述矩形加载耦合腔宽度为1mm，长度为1.3mm。

6.如权利要求1所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述圆形孔阵列光子带隙结构采用4组光子带隙阵列加载于矩形接地板的4个角上，其中每组由7个圆孔组成L带隙形阵列。

7.如权利要求6所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述圆孔的半径为0.6mm，每行中相邻两个孔的圆心间距为2.2mm。

8.如权利要求6所述的WIFI北斗兼容多功能分布加载耦合陶瓷缝隙天线，其特征在于所述L形光子带隙与矩形介质基板边界的长边间距均为1.5～3mm，L形光子带隙与矩形介质基板边界的宽边间距均为2mm。