CN103022685A - 北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线 - Google Patents
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Abstract
北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,涉及一种三角形双频微带天线。设有介质基板,介质基板的两个表面上敷有导体,在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片,在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙,3个长方形缝隙连成人字型,长方形的长为5~8mm、宽为0.5~1mm;平行于三角形的三边外加载长方形贴片,长方形贴片的长为15~28mm,宽为0.5~3mm;长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连,矩形长为2~6mm,宽为0.5~2mm;介质基板下表面的导体面作为接地。尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小。
Description
技术领域
本发明涉及一种三角形双频微带天线,尤其是涉及一种用于北斗卫星***的小型化收发一体的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线。
背景技术
卫星导航***是重要的空间基础设施,能够广泛用于社会生活的各个方面,具有重大的政治、军事、社会意义,也能够为人类带来巨大的经济效益。我国作为幅员辽阔、人口众多的最大发展中国家,有必要拥有自己的卫星导航***。
迄今为止,我国发射的北斗卫星已基本构建了北斗卫星导航***。北斗卫星导航定位***(BeiDou)是中国自主研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信***(CNSS),是继美国的全球定位***(GPS)、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航***。北斗卫星导航定位***致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,突出特点是:卫星数目少,用户终端设备简单,其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性四项原则。
然而天线作为卫星通信***必不可缺少的一部分,它决定着卫星通信***的性能。由于北斗导航***是主动式双向测距二维导航,所以用户设备必须包含发射机,这就对北斗终端天线提出来较高的要求。北斗卫星导航定位***工作于上行L频段(左圆极化)、下行S频段(右圆极化)。同时,北斗***用户端为了和其它卫星导航***实现兼容,也要求天线在双频段或多频段具有良好的性能。因此,北斗天线的多频化和圆极化就成了研究的目标和重点。
随着卫星通信***的广泛应用,各种天线已经运用在卫星***中,如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的,以及微带天线,均可用于卫星通信***的各种天线中。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。圆极化技术和多频技术的结合是近年研究的重点内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线。
通过本发明的加载技术,可以实现3个相位相差60°的电流,再结合优化调整缝隙和桥接部分可实现相位匹配,在北斗收发频段实现双频圆极化。
本发明设有介质基板,所述介质基板的两个表面上敷有导体,在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片,在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙,3个长方形缝隙连成“人”字型,每个长方形的长为5~8mm、宽为0.5~1mm;平行于三角形的三边外加载长方形贴片,长方形贴片的长为15~28mm,宽为0.5~3mm;长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连,矩形长为2~6mm,宽为0.5~2mm;介质基板下表面的导体面作为接地。
所述介质基板的介电常数可为9~15,最好为10,所述介质基板可采用圆柱形介质基板等,所述介质基板的半径可为10~30mm,厚可为2~4mm,最好半径为20mm,厚为3mm;所述介质基板可采用陶瓷介质基板。
所述导体可采用铜或银等。
本发明利用开缝隙和加载使简并模分离产生两个正交极化的相位差90°的简并模,再通过寻找两个馈点的位置实现双频,从而实现了双频圆极化。通过调整缝隙和加载的贴片的大小可灵活控制频点位置及增益。
本发明的设计频率为双频,其频段分别为1.56~1.64G与2.44~2.56G,可覆盖了北斗卫星及卫星定位***的工作频段。
本发明与常规微带天线相比具有以下优点:
1.易于实现圆极化。由于同时采用了加载技术和缝隙匹配,形成了3个互成60°的电流,又可以设置馈电位置来使电流正交极化,最后利用缝隙和桥接分别实现双频点的相位匹配。
2.易于实现双频特性。由于采用了双同轴馈电的方式和以上结构,方便在不同的位置实现相位和阻抗匹配。具有双频工作频带:L频段与S频段,L频段为1.56~1.66GHz,绝对带宽为0.1GHz,相对带宽为6.2%;S频段为2.47~2.5GHz,绝对带宽为0.03GHz,相对带宽为1.2%。
3.尺寸比传统天线要小。一是采用了高介电常数基板,使得微带缝隙阵列天线的尺寸得到了进一步的缩小。二是采用了上述加载耦合方法,使得结构更加紧凑。
综上所述,本发明具有尺寸适中、结构简单、双频工作、带宽大、辐射特征好、受环境因素影响小、成本低、易集成等优点,可达到北斗卫星与GPS导航等卫星通信***对天线的要求。
本发明中采用了加载和开缝隙的结构,通过改变缝隙和加载贴片的参数、结构、数目来实现圆极化和双频特性,其对应的可调频率比的变化范围大。完全可以满足北斗卫星通信***的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的侧面示意图。
图3为本发明实施例的回波损耗(S11)性能图。在图3中,横坐标表示频率Frequency(GHz),纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB);坐标为直角坐标。
图4为本发明实施例的回波损耗(S22)性能图。在图4中,横坐标表示频率Frequency(GHz),纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the Antenna(dB);坐标为直角坐标。
图5为本发明实施例在L频段的E面方向图。在图5中,坐标为极坐标。
图6为本发明实施例在L频段的H面方向图。在图6中,坐标为极坐标。
图7为本发明实施例在S频段的E面方向图。在图7中,坐标为极坐标。
图8为本发明实施例在S频段的H面方向图。在图8中,坐标为极坐标。
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。
参见图1和2,图中标记1为介电常数为10的圆形介质基板,其半径为20mm。在介质基板的两面覆有铜,上表面为开缝加载的覆铜层2,其基本形状是三角形。在覆铜层2的三角形贴片中分别以三个顶角和中心的连线为轴,以中心为起点开长方形缝隙,组成人字形型,长方形缝隙的相关参数对应如下:长为6.8±0.1mm、宽为1±0.1mm。同时,沿着三角形的三边加载长方形贴片,长方形贴片的长为22.32±0.1mm,宽为2±0.1mm。长方形贴片和三角形边线中心相连,相连处采用矩形,矩形长为4±0.1mm,宽为1.3±0.1mm。介质基板1的整个下表面都覆有铜层3,作为微带天线的反射板。图中标记3和4为馈孔,都是半径为0.5mm±0.1mm,高度为3mm±0.2mm,穿过介质板的空心圆柱;标记4为同轴馈电。本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电,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帖片2连接,而铜轴线的外芯与介质板下表面的反射板相连。
参见图3和4,从图中可以看出,本发明天线的工作频段为1.56~1.66GHz与2.47~2.5GHz。在这两个工作频段内天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下,在L频段内的最小回波损耗为-25.8947dB,S频段内的最小回波损耗为-28.5733dB。从上可以看出,在整个通频带内天线的回波损耗性情都能达到要求。本发明天线在L频段的绝对带宽与相对带宽分别为:0.1GHz与6.2%;在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为:0.03GHz与1.2%,好于一般的贴片微带天线,可以很好地应用于北斗卫星***中。
参见图5~8,其中图5和6为1.616GHz时的E面图和H面图,图7和8为2.49GHz时的E面图和H面图。从图中可看出,本发明具有定向辐射特性。可满足卫星通信***的要求。
在圆形微带天线背面采用2个同轴线正交合成馈电,一个在人字形槽下方距离三角形中心在接地板的投影4~6mm处,另一个是在第一个馈点以三角中心为轴转动120°~150°,距离三角形中心在接地板的投影4~6mm处。
表1给出本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。
表1
注:表1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,可根据需优化结构参数完成特殊设计。
本发明的制造加工误差在允许的范围内对天线各参数的影响不大。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、介质板敷铜层厚度、馈电点位置等误差控制在2%以内,以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在5%以内时,天线的各项参数变化不大。
Claims (7)
1.北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于设有介质基板,所述介质基板的两个表面上敷有导体,在介质基板上表面的导体面上雕刻有带缝隙和加载的三角形贴片,在以三角形顶点和中心的连线为轴开设3个长方形缝隙,3个长方形缝隙连成“人”字型,每个长方形的长为5~8mm、宽为0.5~1mm;平行于三角形的三边外加载长方形贴片,长方形贴片的长为15~28mm,宽为0.5~3mm;长方形贴片和三角形边长之间采用矩形相连,矩形长为2~6mm,宽为0.5~2mm;介质基板下表面的导体面作为接地。
2.如权利要求1所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述介质基板的介电常数为9~15。
3.如权利要求2所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述介质基板的介电常数为10。
4.如权利要求1所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述介质基板采用圆柱形介质基板,所述介质基板的半径为10~30mm,厚为2~4mm。
5.如权利要求4所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述介质基板的半径为20mm,厚为3mm。
6.如权利要求1所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述介质基板采用陶瓷介质基板。
7.如权利要求1所述的北斗***耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线,其特征在于所述导体采用铜或银。
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