CN103700946A - 带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线 - Google Patents

Abstract

带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，涉及一种微带天线。设有基板，在基板上表面设有三角形贴片，所述三角形贴片为寄生三角带跨臂缝隙耦合辐射贴片，三角形贴片上设有螺旋缝隙阵，在三角形贴片三条边的边缘处，平行于各边加载三条呈三臂对称分布的外三角缝隙阵，缝隙的一端宽边与三角形边长对齐，缝隙的另一端宽边贴近三角形另一边；在三条外缝隙围成的漩涡状三角形环中，平行于三条外缝隙自相似加载三条呈三臂对称分布的内三角缝隙阵；在基板下表面敷设三角形良导体层作为接地板，且在距离三角形良导体层中心设圆孔，用于同轴馈电。天线制作简单、尺寸小、带宽宽、辐射特性好、受环境因素影响小、易集成以及多频特性。

Description

带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种在基本三角形微带贴片上加载曲流缝隙阵，与螺旋折叠及分形递归技术相结合，通过综合优化介电常数，涡旋三角臂的长度及递归耦合量的参数，可以覆盖北斗的基本频段范围，也可以推广到兼容GPS及多频应用体系的带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线。

背景技术

中国北斗卫星导航***（COMPASS，中文音译名称BeiDou），作为中国自主研发、独立运行的全球卫星导航***，是国家正在实施建设的重要空间信息基础设施，可广泛用于经济社会的各个领域。

北斗卫星导航***由空间端、地面端和用户端三部分组成。其中终端天线是卫星导航***中必不可少也是极其重要的部分，它决定着整个***能否正常发挥其功能与作用。随着卫星导航定位技术的不断发展，卫星导航***的应用领域也不断得到扩展，终端接收机的类型越来越多，也对天线提出了更高的要求。在北斗用户端接收机的设计中，接收机的天线要求具有全向性、主波束宽、右旋圆极化的功能，以此来消除源自地面的多路径反射以及降低电离层的干扰。目前常用的卫星终端天线有十字交叉振子天线、四臂螺旋天线及微带天线，其中微带天线以其体积小、可共形、设计灵活、易于制造、成本低等优良性能而被广泛应用于卫星导航接收***中。

随着卫星通信的不断发展，对微带天线的设计要求也不断提高，考虑到终端设备的便携性要求，在天线设计时尺寸应该尽量小，且要同时满足多极化和多频段需求。目前，北斗卫星导航***工作频段为上行L频段（1616±5MHz，左旋圆极化），以及下行S频段（2492±5MHz，右旋圆极化）。针对北斗终端天线多频段，圆极化，带宽宽等要求，已有用缝隙曲流加载、叠层嵌套及分形递归等手段实施设计。但是目前国内外还没有非常适合应用于我国北斗二代卫星导航定位***终端设备上的微带天线，主要存在尺寸过大、天线效率偏低、低仰角增益低、低频段带宽不足等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对目前微带天线在北斗导航***中的性能缺陷，提供拟重点解决北斗终端天线的小型化、多频段及宽带化，采用微带贴片天线与加载缝隙技术、缝隙耦合技术、缝隙阵列技术、叠层嵌套技术及分形递归思想相结合的形式，用于北斗导航***的多系列小型化、多频段及宽带化加载的带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线。

本发明设有基板，在基板上表面设有三角形贴片，所述三角形贴片为寄生三角带跨臂缝隙耦合辐射贴片，三角形贴片上设有螺旋缝隙阵，在三角形贴片三条边的边缘处，平行于各边加载三条呈三臂对称分布的外三角缝隙阵，缝隙的一端宽边与三角形边长对齐，缝隙的另一端宽边贴近三角形另一边；在三条外缝隙围成的漩涡状三角形环中，平行于三条外缝隙自相似加载三条呈三臂对称分布的内三角缝隙阵；在基板下表面敷设三角形良导体层作为接地板，且在距离三角形良导体层中心设圆孔，用于同轴馈电。

所述基板可采用陶瓷介质基板，所述陶瓷介质基板的介电常数可为6～20，优选9.5～10.5；所述基板可采用三角形基板，三角形基板的边长可为50～55mm，厚度可为2～4mm，优选边长50.4mm，厚度3mm。

所述外三角缝隙阵的缝隙长度可为21～38mm，宽度可为0.8～1.2mm，优选长度为27.5mm，宽度为1.0mm；所述内三角缝隙阵的缝隙长度可为13～24mm，宽度可为0.8～1.2mm，优选长度为16.3mm，宽度为1.0mm。

所述三角形良导体层的边长可为50～55mm，优选50.4mm；所述圆孔距离三角形良导体层的几何中心可为2～2.5mm，优选2.4mm，所述圆孔的直径可为0.8～1.2mm，优选1.0mm。

所述良导体可采用铜或银等。

所述三臂对称分布的外三角缝隙阵中的三臂按60°±3°交错耦合，各三角形间按60°±3°跨臂递归耦合成二阶分形漩涡状三角形阵列环，漩涡状内三角形臂产生高频频点，漩涡状外三角形臂产生低频频点。在基板上表面与下表面的夹层中设有内嵌入漩涡状递归三角形环中心的同轴线馈电结构。

本发明与常规微带线相比具有以下优点：

采用加载曲流缝隙技术和螺旋折叠缝隙阵结构以及分形递归思想，且采用缝隙阵技术与分形递归思想，使天线尺寸结构相比于同类型天线大大减小，实现了北斗导航***终端天线的小型化与多频特性。本发明具有多频工作频带，如：L频段与S频段，L频段为1.597～1.610GHz，绝对带宽为0.013GHz，相对带宽0.81%；S频段为2.481～2.514GHz，绝对带宽为0.096GHz，相对带宽为3.84%。

本发明引入加载曲流缝隙技术、螺旋折叠结构技术及分形递归思想，共同实现北斗导航***终端天线的小型化与多频特性。因为三角形微带天线和矩形微带贴片天线的场结构类似，而采用三角形结构，可以有效减小天线尺寸。并通过加载的缝隙阵使得整体尺寸又缩小了39.8%，而引入的分形递归结构进一步达到小型化的目的。加载的***缝隙曲流形成第一频点，而第二频点就是由内层缝隙阵的加载改变了电流路径引入的新的谐振频点。本发明还具有多频调谐功能，通过综合优化介电常数，涡旋三角臂的长度及递归耦合量的参数，可以覆盖北斗的基本频段范围，也可以推广到兼容GPS及多频应用体系。

故本发明具有天线制作简单、尺寸小、带宽宽、辐射特性好、受环境因素影响小、易集成以及多频特性，完全满足北斗天线尺寸小、带宽宽、回波损耗较低、低仰角增益高、接收与发射信号频道干扰小的要求。

附图说明

图1为本发明实施例的上表面结构示意图。

图2为本发明实施例的下表面结构示意图。

图3为本发明实施例的侧面示意图。

图4为本发明实施例的回波损耗（S11）性能图。在图4中，采用直角坐标系，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)。

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3，图中标注2为介电常数为10±0.5的三角形陶瓷介质基板，图1中陶瓷介质基板边长为50.4±0.1mm。图中标注1为加载寄生三角缝隙贴片，在上层三角形贴片三条边的边缘处，引入曲流加载技术、螺旋缝隙阵结构及分形递归思想，平行于各边加载了三条呈三臂对称分布的外三角缝隙阵，缝隙的一端宽边与三角形边长对齐，另一端宽边贴近三角形另一边，其中缝隙长度为27.5±0.1mm，宽度为1.0±0.1mm。再在三条外缝隙围成的漩涡状三角形环中，平行于三条外缝隙自相似加载三条呈三臂对称分布的内三角缝隙阵，其中缝隙长度为16.3±1mm，宽度为1.0±0.1mm。

参见图2和3，图中标注4为三角形良导体层接地板，边长50.4±0.1mm。图中标注3为空心圆柱状同轴馈电结构，其距离导体层接地板的几何中心2.4±0.1mm处，直径为1.0±0.1mm。

由图4可以看出，本发明的工作频带为L频段与S频段，L频段为1.597～1.610GHz，绝对带宽为0.013GHz，相对带宽0.81%；S频段为2.481～2.514GHz，绝对带宽为0.096GHz，相对带宽为3.84%。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43.1644dB，S频段内的最小回波损耗为24.1344dB。从上面各项数据可以看出，在整个通频带内天线的回波损耗性能均满足北斗导航***要求，且性能优于一般的微带贴片天线，可以很好地应用于北斗导航终端***中。

图5和6给出2.5GHz(L频段)时E面方向图和H面方向图。

图7和8给出1.6GHz(S频段)时E面方向图和H面方向图。

本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。

表1

注：1.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，可根据需求优化结构参数，以完成特殊设计。

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，陶瓷介质基板尺寸、陶瓷介质基板敷铜层厚度、缝隙尺寸、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 (10)

1.带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于设有基板，在基板上表面设有三角形贴片，所述三角形贴片为寄生三角带跨臂缝隙耦合辐射贴片，三角形贴片上设有螺旋缝隙阵，在三角形贴片三条边的边缘处，平行于各边加载三条呈三臂对称分布的外三角缝隙阵，缝隙的一端宽边与三角形边长对齐，缝隙的另一端宽边贴近三角形另一边；在三条外缝隙围成的漩涡状三角形环中，平行于三条外缝隙自相似加载三条呈三臂对称分布的内三角缝隙阵；在基板下表面敷设三角形良导体层作为接地板，且在距离三角形良导体层中心设圆孔，用于同轴馈电。

2.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述基板采用陶瓷介质基板，所述陶瓷介质基板的介电常数可为6～20，优选9.5～10.5。

3.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述基板采用三角形基板，三角形基板的边长为50～55mm，厚度为2～4mm，优选边长50.4mm，厚度3mm。

4.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述外三角缝隙阵的缝隙长度为21～38mm，宽度为0.8～1.2mm，优选长度为27.5mm，宽度为1.0mm。

5.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述内三角缝隙阵的缝隙长度为13～24mm，宽度为0.8～1.2mm，优选长度为16.3mm，宽度为1.0mm。

6.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述三角形良导体层的边长为50～55mm，优选50.4mm。

7.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述圆孔距离三角形良导体层的几何中心为2～2.5mm，优选2.4mm，所述圆孔的直径可为0.8～1.2mm，优选1.0mm。

8.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述良导体采用铜或银。

9.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述三臂对称分布的外三角缝隙阵中的三臂按60°±3°交错耦合，各三角形间按60°±3°跨臂递归耦合成二阶分形漩涡状三角形阵列环，漩涡状内三角形臂产生高频频点，漩涡状外三角形臂产生低频频点。

10.如权利要求1所述带跨臂缝隙耦合的寄生三角多臂天线，其特征在于所述基板上表面与下表面的夹层中设有内嵌入漩涡状递归三角形环中心的同轴线馈电结构。

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