CN103151606A - 一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,它包括高介电常数介质基板、良导体接地反射板、N型或sma国标接头,并采用铜轴线馈电的结构形式;所述高介电常数介质基板的两面覆有金属良导体,其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片和内Koch分形贴片,所述环形外Koch分形贴片和内Koch分形贴片之间为缝隙槽结构;所述环形外Koch分形贴片上设有低频段馈电孔,所述内Koch分形贴片上设有高频段馈电孔;所述良导体接地反射板上开有四条缝隙槽,本发明具有结构新颖、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***对天线的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于北斗卫星双频点***的小型化Koch分形结构的高介电常数微带天线。
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。
采用分形结构20世纪七十年代末提出的分形几何理论近年来得到广泛的重视。1990年D.L.Jaggard提出分形电动力学,确定将分形与麦克斯韦电磁理论相结合的新方向。通过设计出合适的分形结构,使得天线所占空间尺寸减小,而天线的性能基本保持不变,则达到天线小型化的目的。目前,在天线小型化方面采用的分形结构主要有Koch、Hilbert、Peano、Minkowski、3/2Curve曲线以及相应分形结构组成的阵列等。在移动通信技术领域,对分形结构天线进行深入研究具有十分重要的工程价值和理论意义。
2008年学者Zhi-hong Tu等人尝试采用方形贴片和方形环天线的设计,同样实现圆极化双频的要求。其工作频点在1.995GHz和2.105GHz,天线尺寸为30mm×30mm。天线实现小型化的设计要求,但是前面提及的天线结构式其方形环结构贴片是通过耦合馈电,性能受外部环境影响较大;其次,单通道馈电不能实现两个频段独立收发的要求。本发明在新型天线的接地板上制备了PBG结构,目前将嵌套结构、微带天线分形技术、光子带隙结构及双馈电设计结合起来,并应用于卫星***的天线设计还未见报道。
发明内容
本发明为解决现在技术中的问题,提供一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线。它具有回波损耗低、增益高、干扰小,且具有定向辐射特性的兼容北斗多频段卫星定位***天线。利用本发明的结构综合优化,可按需求灵活方便地锁定于北斗系列卫星定位***中。
本发明采用以下技术方案予以实现:
本发明一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板、N型或sma国标接头,并采用铜轴线馈电的结构形式;所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体,其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2,所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板;所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3,所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4;
所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接;所述高频段馈电孔4为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与第二Koch分形环贴片2连接,而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。
其中,铜轴线的内芯中的电位为正电位,电信号通过内芯连接到天线中两个独立的Koch分形贴片单元上,实现辐射电磁波;而铜轴线外芯为负电位,起到接地的作用。
所述良导体接地反射板9其位于高介电常数介质基板5的下表面,其上开有四条缝隙槽,其边长为5mm~20mm,每个缝隙的宽度为1mm~5mm。
所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11,第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上,第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。
所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7,形状为矩形,长和宽分别为42mm~52mm,厚度为1.5mm~4mm。
所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状,所述切角为等腰直角三角形,其直角边为1.5mm~2.5mm。
所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。
所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm,外环长宽边典型值为40mm~50mm。
所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线中,所述金属良导体为铜或银。
所述嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2上的的Koch分形切角8为等边三角形。
所述Koch分形切角8不同于切角7,切角7的作用是实现圆极化,而Koch分形切角8使用Koch分形结构,目的在于实现小型化设计。Koch分形切角8为等边三角形。
所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点:
(1)本发明使用了Koch分形小型化技术,利用辐射贴片的嵌套结构实现多频覆盖/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***的要求。
(2)由于采用了以上结构,此天线具有定向辐射的特点,并且可以实现智能可控。实施例中频点为1.620GHz和2.510GHz,其工作频段对应为1.610GHz~1.630GHz和2.490GHz~2.530GHz,绝对带宽对应为20MHz和40MHz。
(3)由于采用了以上结构,我们可以合理地优化良导体辐射面上Koch分形辐射贴片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***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***对天线的要求。
附图说明
图1为本发明实施例的嵌套式Koch分形北斗双频天线的上表面结构示意图。
图2为本发明实施例的嵌套式Koch分形北斗双频天线的下表面结构示意图。
图3为本发明实施例1.620GHz频点的的回波损耗(S11)性能图。其中横坐标表示频率Frequency(GHz),纵坐标表示回波损耗强度The return loss ofthe antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。
图4为本发明实施例2.510GHz频点的的回波损耗(S11)性能图。其中横坐标表示频率Frequency(GHz),纵坐标表示回波损耗强度The return loss ofthe antenna(dB)。在图中坐标为直角坐标。
图5为本发明实施例1.620GHz频点的E面方向图。在图中坐标为极坐标。
图6为本发明实施例2.510GHz频点的E面方向图。在图中坐标为极坐标。
图中各部件说明:
1、环形外Koch分形贴片;2、内Koch分形贴片;3、低频段馈电孔;4、高频段馈电孔;5、高介电常数介质基板;6、缝隙;7、切角;8、Koch分形切角;9、良导体接地反射板;10、第一缝隙槽;11、第二缝隙槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1、图2。
本发明一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板、N型或sma国标接头,并采用铜轴线馈电的结构形式。其中高介电常数介质基板可以起到减小天线尺寸的目的;所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体,其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2,两部分分别可以形成独立的谐振频段,进行独立工作;所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板9,其作用在于使天线之间有一定的隔离度,避免辐射过程中两部分之间的串扰;所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3,所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4;
所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接;高频段馈电孔4同样为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与内Koch分形贴片2连接,而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。其中,同轴线的内芯中的电位为正电位,电信号通过内芯连接到天线中两个独立的Koch分形贴片单元上,实现辐射电磁波;而同轴线外芯为负电位,起到接地的作用。
本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电,如图2所示,这种馈电形式使得天线的回拨损耗参数更低,增益增大。
采用光子带隙技术在所述良导体接地反射板上开有四条缝隙槽,其边长为5mm~20mm,所述第一缝隙槽10和第二缝隙槽11,每个缝隙的宽度为1mm~5mm。
所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11,第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上,第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。
所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7,形状为矩形,长和宽分别为42mm~52mm,厚度为1.5mm~4mm。
所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状,所述两个贴片上的切角均为等腰直角三角形,其直角边为1.5mm~2.5mm。如图1所示的切角7。
Koch分形切角8不同于切角7,切角7的作用是实现圆极化,而Koch分形切角8使用Koch分形结构,目的在于实现小型化设计。Koch分形切角8为等边三角形。
所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。
所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm,外环长宽边典型值为40mm~50mm。
所述金属良导体为铜或银。
所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。
参见图3和图4,从图3和图4中可以看出,本发明天线的工作频段为1.610GHz~1.630GHz和2.490GHz~2.530GHz。此工作频段内天线的回波损耗(S11)都在10dB以下,在1.620GHz处的最小回波损耗为-17.5dB;在2.510GHz处的最小回波损耗为-13.5dB,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。因而可以很好地应用于北斗与GPS等卫星通信***中。
参见图5、图6,图5为1.620GHz频点的E面图,图6为2.510GHz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***的要求,天线在1.620GHz和2.510GHz两个频点的增益分别为2dB和5dB,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。
表1
本发明的天线各部分的尺寸对天线各项参数及效果的影响非常大,是经过了大量的创造性劳动和实验才确定的,例如,帖片尺寸、缝隙的宽度、高介电常数介质基板的尺寸等。
Claims (7)
1.一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,它包括高介电常数介质基板5、良导体接地反射板9、N型或sma国标接头,并采用铜轴线馈电的结构形式;所述高介电常数介质基板5的两面覆有金属良导体,其上表面设有嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2,所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2之间为缝隙6的良导体接地反射板;所述环形外Koch分形贴片1上设有低频段馈电孔3,所述内Koch分形贴片2上设有高频段馈电孔4;
所述低频段馈电孔3为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过低频段馈电孔3与环形外Koch分形贴片1连接;所述高频段馈电孔4为穿过基板的空洞,铜轴线的金属内芯通过高频段馈电孔4与内Koch分形贴片2连接,而馈电孔3和馈电孔4中的铜轴线的外芯与高介电常数介质基板5下表面的良导体接地反射板9相连。
所述良导体接地反射板9其位于高介电常数介质基板5的下表面,其上开有四条缝隙槽,其边长为5mm~20mm,每个缝隙的宽度为1mm~5mm。
所述四条缝隙槽为带有PBG结构的第一缝隙槽10和第二缝隙槽11,第一缝隙槽10为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的左右两条边上,第二缝隙槽11为一对光子带隙阵列加载于矩形良导体接地反射板的上下两条边上。
2.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,
所述高介电常数介质基板5的相对介电常数大于7,形状为矩形,长和宽分别为42mm~52mm,厚度为1.5mm~4mm。
3.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,
所述环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2的对角分别为切角形状,所述切角为等腰直角三角形,其直角边为1.5mm~2.5mm;
所述内Koch分形贴片2的四条边长度典型值为15mm~22mm。
4.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,
所述环形外Koch分形贴片1的内环长宽边典型值为30mm~40mm,外环长宽边典型值为40mm~50mm。
5.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,
所述金属良导体为铜或银。
6.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,所述嵌套式的环形外Koch分形贴片1和内Koch分形贴片2上的的Koch分形切角8为等边三角形。
7.如权利要求1所述的一种嵌套式Koch分形北斗双频微带天线,其特征是,
所述低频段馈电孔3和所述高频段馈电孔4分别都是半径为0.5mm~1mm、高度为1mm~5mm并穿过高介电常数介质基板5的空心圆柱。
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