CN103794872A - 基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线，包括上层介质板、下层介质板和设置在上层介质板和下层介质板之间的短路柱；所述上层介质板的背面印刷有贴片和短路金属带，上层介质板的正面设置有L探针馈电结构。所述北斗导航天线的长*宽*高为35mm*35mm*15mm，电尺寸为0.13λ×0.13λ×0.057λ。本发明的北斗导航天线同时满足微带天线小型化和带宽这一对矛盾的需求、突破在一定电尺寸下微带天线带宽的限制，提出了一种新型基于短路加载结构的宽带化技术，并将此技术应用于超小型化微带天线，使的本专利发明的超小型天线满足北斗导航B3频段的使用要求。

Description

基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线

技术领域：

本发明属于天线领域，涉及一种微带天线和卫星导航天线，尤其是一种基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线。 

背景技术：

随着卫星导航技术的快速发展，许多国家都建立了自己的卫星导航***，北斗二代(Compass)导航***是中国自行研制的全球定位卫星导航***，是即美国的GPS，俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航***。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度高可靠定位、导航、授时服务。在导航***当中，终端导航天线起着至关重要的作用，本专利旨在发明一种超小型化的单一频点的北斗导航天线，使其满足手持终端或者小型化阵列的使用需求。 

微带天线，作为一种广泛应用的天线形式，相比其他形式的天线更易实现小型化。传统的微带天线小型化技术包括贴片开槽加载[1、H.Iwasaki,″Acircularly polarized small-size microstrip antenna with a cross slot,″IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.44,no.10,pp.1399-1401,Oct.1996.]、地板开槽加载[2、H.D.Chen,″Compact circularly polarized microstrip antenna with slotted ground plane,″Electron.Lett.,vol.38,no.13,pp.616-617,Jun.2002.]和短路加载技术[3、X.H.Tang,H.Wong,Y.L.Long,Q.Xue,andK.L.Lau,″Circularly Polarized Shorted Patch Antenna on High Permittivity Substrate With Wideband,″IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.60,no.3,pp.1588-1592, Mar.2012.]。这其中短路加载技术可以使微带天线的谐振频率明显下降，具有相比其他几种技术更好的小型化效果。 

本专利所设计的导航天线目的是为了在北斗B3频段满足手持终端和阵列的使用要求，尺寸需要限制在35mm(长)*35mm(宽)*15mm(高)之内，电尺寸仅仅为0.13λ×0.13λ×0.057λ，λ为天线谐振频率对应的空间波长，传统的未使用任何小型化的微带天线尺寸应在0.5λ左右，所以本专利所要求设计的微带天线可以称之为超小型微带天线。应用现有的短路加载技术，可以将天线谐振频率调到B3频段中心频率1.268GHz，但是获得的带宽远远不能满足B3频段的带宽要求。这是因为对于传统微带天线而言，带宽和小型化是一对矛盾的要求，天线的带宽会随着尺寸的减小而减小。微带天线本身是一种窄带天线，小型化过后带宽也就必然远远无法满足需求。这也是为什么短路加载小型化技术已经存在很多年，但是这种超小型微带天线几乎不见文献报道也不能获得广泛应用的原因。 

微带天线的传统的宽带化技术包括增加天线高度、采用空气介质、贴片U型槽、L探针馈电等方法，但是这些方法往往是牺牲天线体积或者是基于贴片的小型化技术。基于贴片上的宽带化技术对于本专利所提出的超小型化微带天线效果并不明显，这是因为对于如此小电尺寸的微带天线，贴片对整个微带天线的影响已经变得十分小，而短路结构对天线起着最核心的作用，所以，发明一种基于短路加载的宽带技术显得至关重要。 

微带天线的分析方法当中，传输线法是其中最常用的一种方法。 在这种方法中，微带天线的贴片被看做两段一定长度的传输线，传输线两段加载两个并联电阻和电容来表示辐射阻抗。与此同时，利用集总元件来分析分布式结构的方法被广泛的应用于天线分析当中。本专利将这两种方法结合在一起，对微带天线的短路加载结构进行了集总元件的电路建模，并将此模型和微带天线传输线模型结合在一起，得到了短路加载微带天线的传输线模型。并以电路理论为基础，对此模型进行了宽带化的研究，并将此模型的研究成果应用在天线实际结构上，发明了一种新型的宽带短路加载技术，并将此技术应用于超小型微带天线当中。 

发明内容：

本发明的目的在于针对现有短路加载小型化微带天线带宽不足的问题，为能同时满足微带天线小型化和带宽这一对矛盾的需求、突破在一定电尺寸下微带天线带宽的限制，提出了一种新型基于短路加载结构的宽带化技术，并将此技术应用于超小型化微带天线，使的本专利发明的超小型天线满足北斗导航B3频段的使用要求。 

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的： 

基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线，包括上层介质板、下层介质板和设置在上层介质板和下层介质板之间的短路柱；所述上层介质板的背面印刷有贴片和短路金属带，上层介质板的正面设置有L探针馈电结构。 

所述北斗导航天线的长*宽*高为35mm*35mm*15mm，电尺寸为0.13λ×0.13λ×0.057λ。 

所述上层介质板和下层介质板的介电常数都是2.65F4b，上层介质板的厚度为1mm，下层介质板的厚度为2mm。 

所述短路柱是长方体铜柱，其尺寸为1mm*1mm*15mm。 

所述L探针馈电结构由金属片和连接在金属片上的圆形铜柱构成，该金属片印刷在上层介质板的正面。 

所述贴片包括四个槽，增加天线的最大辐射方向的方向系数；所述短路金属带包括四个不等长枝节用来调整两个正交模的相位以实现圆极化辐射。 

所述上层介质板和下层介质板之间填充有空气。 

本发明的有益效果在于： 

(1)使用短路加载技术大幅度降低了微带天线整体尺寸，本专利设计的应用于北斗导航***B3频段的天线只有35mm*35mm*15mm，使其适合手持机使用。电尺寸仅有0.13λ×0.13λ×0.057λ，是目前为止见发表的电尺寸最小的微带天线，可称之为超小型微带天线。 

(2)对短路加载技术使用模拟电路法进行研究，利用电路理论指导设计了一种新型短路加载宽带化技术，特殊结构使得天线在超小电尺寸的同时满足带宽满足使用要求，很好的解决了了微带天线电尺寸和带宽这一对矛盾需求。 

(3)将成熟电路理论引入微带天线设计，所提出的新颖的设计过程具有推广价值。为将来设计性能更为特殊的微带天线提供了借鉴。 

(4)天线使用了双层F4B印制板铜柱支撑的结构，极易加工。相比使用高介电常数介质板的小型化微带天线，空气介质的采用还使得 天线成本极低且辐射效率有所增加。 

(5)仿真和实测数据证明，本专利设计北斗B3频段天线在整个B3频段轴比均小于3dB，在1.23GHz——1.38GHz很宽的范围内驻波比均小于1.2。天线仿真使用的是AnsoftHFSS13仿真软件有限元算法，天线实测使用的是矢量网络分析仪和微波暗室中的天线近场测试***。测量结果如附图中所示。天线的实测和仿真驻波比对比如图12所示，实测和仿真增益圆极化轴比对比如图13所示，天线实测归一化方向图和轴比如图14、15、16所示。 

附图说明：

图1-1为天线1俯视侧视图；图1-2为天线1结构示意图； 

图2天线1传输线模型； 

图3天线1有限元仿真结果和电路仿真结果输入阻抗对比图； 

图4天线2结构俯视图； 

图5天线2有限元仿真结果和电路仿真结果输入阻抗对比图； 

图6天线3俯视图； 

图7天线3有限元仿真结果和电路仿真结果输入阻抗对比图； 

图8天线2天线3输入阻抗有限元仿真对比图； 

图9天线123反射系数对比图； 

图10-1北斗B3频段天线(天线4)俯视侧视图； 

图10-2北斗B3频段天线(天线4)结构示意图； 

图11枝节长度L11和L12和天线最大辐射方向轴比的关系图； 

图12天线驻波比实测和仿真对比图； 

图13天线轴比和增益实测仿真对比图； 

图14-1天线1.258GHz实测图； 

图14-2天线1.258GHz仿真归一化方向图； 

图15-1天线1.268GHz实测图； 

图15-2天线1.268GHz仿真归一化方向图； 

图16-1天线1.278GHz实测图； 

图16-2天线1.278GHz仿真归一化方向图。 

其中：1为上层介质板；2为下层介质板；3为短路柱；4为贴片；5为短路金属带；6为L探针馈电结构。 

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 

参见图1-1、1-2、2、3、4、5、6、7、8、9、10-1、10-2、11、12、13、14-1、14-2、15-1、15-2、16-1、16-2，本专利首先提出一种传统的短路加载微带天线作为原型天线，如图1-1、1-2所示，此天线标示为天线1。在天线1中，四个短路金属带从微带天线贴片引出，通过一个耦合缝隙延伸向天线周围四个角，从四个角通过金属柱直接短路到金属地板，上述这部分构成了整个天线的短路加载结构，采用四个短路加载是为了天线辐射方向图的对称性。除此之外天线1还采用L探针馈电以实现阻抗匹配。为了更好地对短路加载微带天线的特性进行分析，本专利采用了集总元件电路模型法，对短路加载结构进行电路建模并将此模型加载在微带天线传输线模型上，得到了如图2所示的短路加载微带天线传输线模型。在图2中，虚线框之中的 部分便是本专利所提出的短路结构的电路模型，虚线框以外的部分对应的是传统的不加载的微带天线传输线模型[4、R.Munson,″Conformal microstrip antennas and microstrip phased arrays,″IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.22,no.1,pp.74-78,Jan.1974.]。在虚线框内的集总元件中，L3和L5分别表示水平金属带和垂直的金属柱，它们之间的缝隙由C6表示。 

在建立了天线1的传输线模型之后，本专利使用有限元仿真软件Ansoft HFSS对天线1模型实际进行仿真，并得到天线的阻抗曲线。之后再使用电路仿真软件AWR Microwave Office对传输线模型进行建模和仿真，使用软件中的tune tool功能对模型元件参数值进行调整从而使得传输线模型的输入阻抗和从Ansoft HFSS中得到的天线的实际模型的阻抗曲线相匹配，匹配结果如图3所示。 

本专利所建立的短路加载结构的电路模型实际上是一个LC串联谐振电路，根据电路理论，其谐振频率的表达式如式1所示，而其品质因数的表达式如式2所示。 

$f_0=1/\left(2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}\right)---\left(1\right)$

$Q=(1/R)\sqrt{(L/C)}---\left(2\right)$

由式1可以看出，无论是增大谐振回路中的电容或者电感，其谐振频率都会下降，但是增加电感的话，其品质因数会增加(如式2所示)，而品质因数又和带宽成反比，这意味着通过增加电感的方法会使整个回路的带宽减小；相反的，如果通过增大电容的方法使其谐振频率下降，带宽会有所增加。经过电路仿真的验证，此理论完全适用 于本专利提出的短路加载微带天线传输线模型。 

与此相对应，本专利将此电路理论在天线的实际模型当中进行尝试。很容易可以看出，实际天线中短路加载的长度和短路加载电路模型的电感L3和L5成正比，而它们之间的缝隙和电容C6成正比，可以假设，减小L3和L5，增大C6，也就是减小两段短路加载金属带的长度，然后设计一种新结构增大他们之间的耦合缝隙长度成为了一种可能的增大整个天线带宽的方法，本专利接下来将对此假设进行验证。 

首先本专利建立了另一个天线模型如图4所示，称之为天线2，相比天线1，采用了本专利发明的一种新型耦合结构：增加了两端金属枝节，长度分别标记为为L5和L6，这相当于增加了两段金属带之间的耦合缝隙长度，也相当于增加了图2电路模型中的C6。除此之外无论是天线实际模型还是传输线模型其他参数或者元件值均和天线1保持一致，Ansoft HFSS和AWR Microwave Office仿真结果如图5所示，可以看到两者很好的得到了匹配，其谐振频率相比天线1也从2.55GHz下降到2.20GHz。 

为了能和天线2进行对比，本专利建立了另外一个使用更短的金属短路带和更长的耦合缝隙的天线3模型，如图6所示。L3的长度大幅减小，L5和L6的长度略有增加，为了便于比较，两个枝节的长度L5和L6经过调整使得天线3的谐振频率和天线2完全一样。经过Ansoft HFSS仿真得到阻抗曲线，在减小电路模型中的L3和增大C6使得电路模型得到的输入阻抗曲线和Ansoft HFSS仿真得到的天线输 入阻抗曲线匹配，如图7所示。最后将天线2和天线3的输入阻抗和S参数进行对比，如图8、9所示，可以看出，天线3的带宽相对于天线2有了明显增加。这也就是说，采用天线3的新型短路结构可以使天线谐振频率不变的情况下带宽有所增加，本专利将天线1、2、3的传输线模型和实际模型的重要参数总结于表1当中，可以看出最初的假设得到了验证。这种新型的宽带化短路加载技术可以成为一种行之有效的对超小型微带天线补偿带宽的技术。 

天线编号	电感L5	电容C6	L5&L6尺寸	L3尺寸	谐振频率
						1	1.28nH	1.19pF	0	14.5mm	2.55GHz
2	1.28nH	3.3pF	5.5mm	14.5mm	2.2GHz
						3	0.36nH	7.8pF	7.5mm	7mm	2.2GHz

表1天线1、2、3对比 

本专利之后基于此技术设计了一款应用于北斗导航的超小型微带天线，如图10-1、10-2所示，标记为天线4。天线采用上下两层介电常数为2.65的F4B印刷板的结构，中间使用空气介质，周围四个短路铜柱支撑起整个结构，相比天线3，贴片上多开了四个槽以增加天线的最大辐射方向的方向系数，短路加载带上多了四个不等长枝节用来调整两个正交模的相位以实现圆极化辐射。为了方便加工，贴片部分和短路金属带部分印刷在了上层介质板的背面，L探针馈电印刷在了上层介质板正面。 

本发明的北斗B3频段导航天线具体尺寸标注如图10所示，具体数值如下： 

参数	G	L	h	h1	fx	fy	Lf
								数值(mm)	35	26	15	0.8	6.6	1.4	6.1
参数	Wf	W	L2	L3	L4	L5	L6
								数值(mm)	2.5	1	4	9.5	11.5	12.7	9.5
参数	L7	L8	L9	L10	L11	L12	L13
								数值(mm)	1	5	3.5	9	5.3	8.7	5

天线的加工以介电常数2.65F4b印刷电路板形式完成，一共分上下两层，厚度分别为1mm和2mm。短路柱使用的是1mm*1mm*15mm长方体铜柱，馈电L探针中垂直部分使用的是圆柱铜柱。 

（1）本发明总体尺寸仅有35mm（长）*35mm（宽）*15mm（高），电尺寸仅为0.13λ×0.13λ×0.057λ的短路加载超小型北斗B3导航微带天线。 

（2）采用新颖的模拟电路分析方法，对短路加载进行理论分析，使用电路理论指导短路加载结构的宽带化设计。 

（3）发明了一种新型结构的短路加载结构，经过验证使得超小型微带天线的带宽得以增加，满足使用要求。 

（4）使用上下两层印制板结构，两部分之间的空气使得天线重量大幅减小辐射效率增加。并且成本极低容易制造。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案 范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (7)

1.基于宽带短路加载结构和超小型化的北斗导航天线，其特征在于：包括上层介质板、下层介质板和设置在上层介质板和下层介质板之间的短路柱；所述上层介质板的背面印刷有贴片和短路金属带，上层介质板的正面设置有L探针馈电结构。

2.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述北斗导航天线的长*宽*高为35mm*35mm*15mm，电尺寸为0.13λ×0.13λ×0.057λ。

3.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述上层介质板和下层介质板的介电常数都是2.65F4b，上层介质板的厚度为1mm，下层介质板的厚度为2mm。

4.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述短路柱是长方体铜柱，其尺寸为1mm*1mm*15mm。

5.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述L探针馈电结构由金属片和连接在金属片上的圆形铜柱构成，该金属片印刷在上层介质板的正面。

6.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述贴片包括四个槽，增加天线的最大辐射方向的方向系数；所述短路金属带包括四个不等长枝节用来调整两个正交模的相位以实现圆极化辐射。

7.如权利要求1所述的北斗导航天线，其特征在于：所述上层介质板和下层介质板之间填充有空气。

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