CN103427160B

CN103427160B - 耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线

Info

Publication number: CN103427160B
Application number: CN201310373375.8A
Authority: CN
Inventors: 游佰强; 赵阳; 全威; 周建华; 薛团徽; 李立之
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: CN103427160A

Abstract

耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，涉及一种微带天线。设有上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有一组对角内切圆弧的上正方形贴片，在下层介质基板上表面雕刻有小孔和开槽的下正方形贴片，所述下正方形贴片上设有耳状调谐环，所述耳状调谐环由两个分别位于一组对角的圆环组成，圆环的中心与下正方形贴片的顶点重合，在下正方形贴片上设有圆孔；在下正方形贴片的一组对边上设有矩形凹陷；所述下层介质基板背面涂敷雕刻有采用光子带隙结构的良导体并作为接地板，其中采用光子带隙结构设有9个矩形小孔。

Description

耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于北斗卫星***的小型耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线。

背景技术

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）。目前，该导航***具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时和报文功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。

天线是卫星的核心关键技术之一，它决定着卫星通信***的性能。随着卫星技术的飞速发展，人们对其天线在宽带化、小型化和多频化等方面提出了更高的要求。由于北斗导航***是主动式双向测距二维导航，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，因此对北斗天线的多频化和圆极化的研究具有重要的参考价值和实用意义。

微带贴片天线是一种使用微带贴片作为辐射源的天线，它具有剖面低、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。目前已在移动通信、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，其中贴片的形状是影响天线性能的重要因素之一，它直接影响着天线的带宽，频率，增益和极化等指标。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于北斗卫星***的小型耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线。

本发明设有上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有一组对角内切圆弧的上正方形贴片，在下层介质基板上表面雕刻有小孔和开槽的下正方形贴片，所述下正方形贴片上设有耳状调谐环，所述耳状调谐环由两个分别位于一组对角的圆环组成，圆环的中心与下正方形贴片的顶点重合，在下正方形贴片上设有圆孔；在下正方形贴片的一组对边上设有矩形凹陷；所述下层介质基板背面涂敷雕刻有采用光子带隙结构的良导体并作为接地板，其中采用光子带隙结构设有9个矩形小孔。

所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数可为9～15，优选为10；上层介质基板和下层介质基板可采用正方形结构，所述上层介质基板的边长可为20～25mm，典型值可为22mm，厚度可为2～4mm，典型值可为3mm；所述下层介质基板的边长可为30～40mm，典型值可为34mm，厚度可为2～4mm，典型值可为3mm。

所述良导体可采用铜或银材质。

所述内切圆弧可以实现圆极化，所述上正方形贴片的边长可为15～20mm，典型值为19mm，圆弧的半径可为2.5～3mm，典型值为2.8mm；

所述圆环的外圆直径可为4～6mm，典型值为5.2mm，圆环的内圆直径可为2.5～3.5mm，典型值为3.0mm。所述矩形凹陷的矩形长边可为12～16mm，典型值为15mm，矩形短边可为0.4～0.6mm，典型值为0.5mm；在下正方形贴片距离中心2～3mm（典型值为2mm）处设有直径为1.5～2.5mm（典型值为2mm）的圆孔。

所述矩形小孔的边长可为1～1.5mm，典型值为1mm。

本发明采用耳状调谐环技术实现微带天线的小型化和圆极化。

本发明的设计频率为双频，其频段分别为1.610～1.622G与2.450～2.562G，可覆盖北斗卫星及卫星定位***的工作频段。

本发明由于采用双层贴片结构，同时通过改变贴片的形状来实现圆极化特性，其对应的可调频率比的变化范围大，因此可以完全满足北斗卫星通信***的要求。

本发明由于引入耳状调谐环，因此实现了天线频点的可调性，拓宽了固有频带，覆盖了北斗卫星定位***的工作范围。此外，采用耳状调谐环技术可以减小天线尺寸，结合介电性能好的陶瓷或改性环氧复合陶瓷板基底，有助于实现天线的小型化。由于采用叠层耦合双馈电结构，因此实现了较高的双频隔离度，可满足北斗天线尺寸小、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要求。

本发明与常规微带天线相比具有以下优点：

采用叠层耦合双馈电结构，实现了具有较高隔离度的双频特性。本发明具有双频工作频带，如：L频段与S频段，L频段为1.610～1.622GHz，绝对带宽为0.012GHz，相对带宽为0.75%；S频段为2.450～2.562GHz，绝对带宽为0.112GHz，相对带宽为4.47%。

由于采用了高介电常数基板和耳状调谐环技术，使得天线的尺寸得到了进一步的缩小。

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。

附图说明

图1为本发明实施例的上层介质基板上表面示意图。

图2为本发明实施例的下层介质基板上表面示意图。

图3为本发明实施例的下层介质基板下表面示意图。

图4为本发明实施例的侧面示意图。

图5为本发明实施例的回波损耗(S₁₁)性能图。在图5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)。在图中坐标为直角坐标。

图6为本发明实施例的回波损耗(S₂₂)性能图。在图6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）。在图中坐标为直角坐标。

图7为本发明实施例在L频段的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图8为本发明实施例在L频段的H面方向图。在图中坐标为极坐标。

图9为本发明实施例在S频段的E面方向图。在图中坐标为极坐标。

图10为本发明实施例在S频段的H面方向图。在图中坐标为极坐标。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～4，本发明实施例设有上层介质基板2和下层介质基板4，上层介质基板2和下层介质基板4叠加，上层介质基板2的上表面、下层介质基板4的上表面、下层介质基板4的下表面均敷有良导体；在上层介质基板2的上表面雕刻有一组对角内切圆弧11的上正方形贴片1，在下层介质基板4的上表面雕刻有小孔7和开槽的下正方形贴片3，所述下正方形贴片3上设有耳状调谐环32，所述耳状调谐环32由两个分别位于一组对角的圆环组成，圆环的中心与下正方形贴片3的顶点重合，在下正方形贴片3上设有圆孔6；在下正方形贴片3的一组对边上设有矩形凹陷31；所述下层介质基板4背面涂敷雕刻有采用光子带隙结构的良导体并作为接地板，其中采用光子带隙结构设有9个矩形小孔A。

所述内切圆弧11可以实现圆极化，所述上正方形贴片1的边长为15～20mm,典型值为19mm，圆弧的半径为2.5～3mm，典型值为2.8mm。

组成耳状调谐环32的圆环的外圆直径为4～6mm，典型值为5.2mm，圆环的内圆直径为2.5～3.5mm，典型值为3.0mm。在下正方形贴片的另外一组对角31上采用多级矩形拓宽频带技术，典型值为2，切角的边长分别为1.5～2.5mm和1～1.5mm，典型值为2mm和1.5mm。在下正方形贴片距离中心2～3mm（典型值为2mm）处设有直径为1.5～2.5mm（典型值为2mm）的圆孔6。在正方形的一组对边上有矩形凹陷频率调谐结构，其中凹陷矩形长12～16mm，典型值为15mm，宽0.4～0.6mm,典型值为0.5mm。

所述矩形小孔A的边长为1～1.5mm，典型值为1mm。

所述上层介质基板和下层介质基板采用10的高介电常数优质材料，上层介质基板和下层介质基板采用正方形结构，边长可为30～40mm，典型值为34mm，厚为2～4mm，典型值为3mm。所述良导体可采用铜或银材质。

上层介质基板的边长为22.0±0.1mm，下层介质基板的边长为34.0±0.1mm，下正方形贴片的边长为25.0±0.1mm，贴片的一组对角采用多级阶梯状扩频切角技术，其中阶梯状切角的长边边长为2.0±0.1mm，短边边长为1.5±0.1mm。另一组对角上有耳状调谐环，圆环有四分之一面积与矩形重合。

圆孔6和小孔7为同轴馈电，半径都为0.5mm±0.1mm的空心圆柱，其中圆孔6穿过上层介电基板2、下正方形贴片3、下层介电基板4对上正方形贴片1进行馈电，高度为6mm±0.3mm。而小孔7是穿过下层介电基板4对下正方形贴片3进行馈电。高度为3mm±0.2mm。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反射系数更低，增益增大。其中铜轴线的内芯通过馈孔与贴片连接，而铜轴线的外芯与介质板下表面的反射板相连。

由图5和6可以看出，本发明天线的工作频段为1.610～1.622GHz与2.450～2.562GHz。在这两个工作频段内天线的回波损耗(S11和S22)都在-10dB以下，在L频段内的最小回波损耗为-30.2434dB，S频段内的最小回波损耗为-22.7448dB，在整个通频带内天线的回波损耗性能均达到要求。本发明在L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.012GHz与0.75%；在S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0.112GHz与4.74%，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7～10，其中图7和8为1.616GHz时的E面图和H面图，图9和图10为2.492GHz时的E面图和H面图。从图中可以看出，本发明具有定向辐射特性，可以满足卫星通信***的要求。

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

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，贴片上尺寸、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

1.耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于设有上层介质基板和下层介质基板，上层介质基板和下层介质基板叠加，上层介质基板上表面和下层介质基板上下表面均敷有良导体；在上层介质基板上表面雕刻有一组对角内切圆弧的上正方形贴片，在下层介质基板上表面雕刻有馈电用小孔和开槽的下正方形贴片，所述下正方形贴片上设有耳状调谐环，所述耳状调谐环由两个分别位于一组对角的圆环组成，圆环的中心位于下正方形贴片正方形的顶点处，在下正方形贴片上设有馈电用圆孔；在下正方形贴片的一组对边上设有矩形凹陷；所述下层介质基板下表面敷有的良导体作为接地板，其雕刻有光子带隙结构，其中光子带隙结构设有9个矩形小孔。

2.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数为9～15。

3.如权利要求2所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数为10。

4.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板和下层介质基板采用正方形结构。

5.如权利要求4所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板的边长为20～25mm，厚度为2～4mm；所述下层介质基板的边长为30～40mm，厚度为2～4mm。

6.如权利要求5所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上层介质基板的边长为22mm，厚度为3mm；所述下层介质基板的边长为34mm，厚度为3mm。

7.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上正方形贴片的边长为15～20mm，圆弧的半径为2.5～3mm。

8.如权利要求6所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述上正方形贴片的边长为19mm，圆弧的半径为2.8mm。

9.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述圆环的外圆直径为4～6mm，圆环的内圆直径为2.5～3.5mm。

10.如权利要求9所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述圆环的外圆直径为5.2mm，圆环的内圆直径为3.0mm。

11.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述矩形凹陷的矩形长边为12～16mm，矩形短边为0.4～0.6mm；在下正方形贴片距离中心2～3mm处设有直径为1.5～2.5mm的馈电用圆孔。

12.如权利要求11所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述矩形凹陷的矩形长边为15mm，矩形短边为0.5mm。

13.如权利要求1所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述矩形小孔的边长为1～1.5mm。

14.如权利要求13所述耳状调谐环叠层耦合北斗双频微带天线，其特征在于所述矩形小孔的边长为1mm。