CN104319474B - 城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线 - Google Patents
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Abstract
城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，涉及一种微带天线。设有上下层基板，在上下层基板上表面分别敷有金属层形成正方形贴片；上层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在上层正方形贴片上设有贴片几何中心对称的城墙状缝隙对，形成城墙状缝隙阵列，在带有电磁耦合的城墙状缝隙之间设有耦合腔，在两组正交的城墙阵列衔接处，设有4个45度角位置的调控耦合腔；下层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在下层正方形贴片的四边中部各设有一个矩形凹槽形成类分形结构，在下层正方形贴片的四边***设有贴片中心对称的引向臂；下层基板下表面敷有良导体层作为接地板，在下层基板下表面上设有3个馈电接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种兼容GPS及北斗卫星导航***工作频段的城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线。
背景技术
北斗卫星导航***(BDS)是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航***，致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。北斗卫星导航***、美国全球定位***(GPS)、俄罗斯格洛纳斯***(GLONASS)和欧盟伽利略定位***(GALILEO)为***卫星导航委员会认定的全球卫星导航***四大核心供应商[1]。
天线设计及制造技术是卫星的核心关键技术之一，天线的各项特性及形态大小极大程度地影响了卫星的工作性能及应用领域，随着卫星技术的飞速发展，人们在对天线的宽带化、小型化、抗破坏性等要求的基础上，进一步对增益轴比及多网络兼容性等方面提出了更高的要求。天线在卫星导航***及其终端应用中具有举足轻重的地位，对其进行深入的研究具有重要的参考价值和实用意义。
传统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，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，贴片天线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、频率和增益等指标。对于天线的小型化，Hately M C和Kabbary F M,StewartB G发明了交叉场天线，这也是最早的小型天线，此后人们研究出了可采用高介电常数、开缝[2]、曲流技术[3]、加载短路探针[4]、PBG结构等技术来实现天线的小型化。在微带贴片天线的设计过程中，由于多项技术指标是互相联系、互相影响的，因此要对天线的性能指标进行综合考虑，从而选择符合实际需要的贴片形状。
引向天线是由两位日本大学教授八木秀次和宇田新太郎在上世纪20年代发明的，故又称八木天线、八木-宇田天线或八木阵列天线[5]。八木天线是一种端射多单元天线阵列，最少包括一个单独的激励单元和一个单独的无源单元。鉴于引向天线与微带天线的突出优点，为了将二者相互有机的结合，国内外专家学者都做了很多分析及实践研究工作[6～9]。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于提供一种兼容GPS及北斗卫星导航***工作频段的城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线。
本发明设有下层基板和上层基板，在上层基板和下层基板的上表面分别敷有金属层形成正方形贴片；上层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在上层正方形贴片上设有贴片几何中心对称的城墙状缝隙对，形成城墙状缝隙阵列，在带有电磁耦合的城墙状缝隙之间设有耦合腔，在两组正交的城墙阵列衔接处，设有4个45度角位置的调控耦合腔；下层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在下层正方形贴片的四边中部各设有一个矩形凹槽形成类分形结构，在下层正方形贴片的四边***设有贴片中心对称的引向臂；下层基板下表面敷有良导体层作为接地板，在下层基板下表面上设有3个馈电接头，3个馈电接头分别与3个馈电点连接。
所述上层基板和下层基板均可采用相对介电常数为2～12的介质基板，相对介电常数优选4.4；上层基板和下层基板的厚度可为2～4mm，优选3mm；所述上层基板的边长可为30～36mm，优选34mm；下层基板的边长可为70～80mm，优选72mm。
所述上层正方形贴片的边长a1可为24～28mm，优选26mm。采用角部对称三角形切角结构的角部切角边长s1可为3～7mm，优选5mm。
所述外城墙状缝隙的长边L1可为1～6mm，优选2.55mm，短边W1可为1～4mm，优选1.45mm，缝隙宽度b1可为0.3～0.6mm，优选0.55mm。内城墙状缝隙的长边W2可为1～3mm，优选2.30mm，短边L2可为1～2mm，优选1.55mm。缝隙宽度b1可为0.3～0.6mm，缝隙间耦合腔的半径可为0.2～0.6mm，优选0.4mm，耦合腔之间距离d1可为3～7mm，优选4.90mm，外城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d3可为1～6mm，优选2.677mm，内城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d4可为3～8mm，优选5.307mm。
所述调控耦合腔的半径可为0.2～0.6mm，优选0.4mm，调控耦合腔之间的距离d2可为1～3mm，优选1.846mm。
上层辐射贴片北斗***终端天线S频段馈电点的半径为0.60mm±0.01mm，短路钉半径为0.60mm±0.01mm。
下层正方形贴片的边长a2可为38～42mm，优选40.5mm。采用角部对称三角形切角结构来产生圆极化，角部切角边长s2可为3～9mm，优选6mm。在下层正方形贴片四面中点设有矩形凹槽，形成类分形结构，所述矩形凹槽的长边W4可为6～10mm，优选7.75mm，短边L4可为1～3mm，优选2mm。***关于贴片中心对称的引向臂的边长长边L5可为37～42mm，优选39mm，短边W5可为4～8mm，优选6mm。
下层基板上表面***引向臂城墙状缝隙的长边W3可为1～6mm，优选3.2mm，短边L3可为1～4mm，优选1.8mm，缝隙宽度b2可为0.3～1.0mm，优选0.7mm。引向臂与正方形贴片的距离d5可为3～7mm，优选4.75mm。
下层辐射贴片北斗***终端天线L频段馈电点的半径可为0.60mm±0.01mm，GPS***终端天线L1频段馈电点的半径可为0.60mm±0.01mm。
接地板为正方形，接地板边长可为70～80mm；优选72mm。接地板为厚度大于趋肤深度的银层或铜层。
本发明在上下基板的上表面分别敷有金属层形成正方形贴片；采用角部对称三角形切角结构，在其上引入关于贴片几何中心对称的城墙状缝隙对，形成城墙状缝隙阵列，在城墙状缝隙对的两条缝隙之间设置了耦合腔，并且在两组正交的城墙阵列衔接处，4个45度角位置引入了多个调控耦合腔；而下层正方形贴片也采用角部对称三角形切角结构，并且在其四边中部各引入一个矩形凹槽形成类分形结构，***引入关于贴片中心对称的改进型引向臂。在上层正方形贴片中，引入城墙状缝隙结构，可以有效地延长电流路径，有助于实现天线的小型化；在带有电磁耦合的城墙状缝隙之间设置耦合腔，可以调控城墙状缝隙本身周期性耦合，也可以控制不同城墙状缝隙之间的电磁耦合；在两组正交的城墙阵列衔接处的45度角位置引入的多个调控耦合腔，可以调控辐射场的垂直与水平分量，调节天线轴比和极化；短路钉的引入不仅有助于实现天线小型化，而且能够改善天线的阻抗匹配。在下层贴片中，角部对称三角结构可以扩宽频带宽度和产生圆极化。在关于贴片中心对称的引向臂中引入城墙状缝隙结构，可以延长有效电长度，改善天线的辐射特性和优化天线的增益。采用叠层耦合三馈电结构，实现了三频特性，而且具有较高的三频隔离度。本发明涉及的天线可满足北斗天线尺寸小、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收和发射信号频道干扰小的要求，并且兼容了GPS***的L1频段。
本发明的设计频段可为三频段，分别为1.55～1.605GHz，1.57～1.66GHz与2.45～2.53GHz，覆盖了GPS***L1工作频段和北斗导航***L和S两个工作频段。
与现有卫星天线相比较，本发明具有以下突出的技术效果：
采用叠层耦合三馈电结构，实现了北斗卫星导航***双频段以及GPS***L1频段共三个频段的兼容特性，而且具有较高的三频隔离度。由于上层正方形贴片引入城墙状缝隙结构和下层贴片采用了类分形结构，使天线的尺寸得到一定程度的缩小。此外，上层正方形贴片引入多个调控耦合腔，控制了辐射场的垂直与水平分量，可调节天线轴比和极化。下层贴片引入改进型引向臂，改善了天线的辐射特性和优化了天线的增益，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正方形贴片结构示意图。
图2为本发明实施例的下层正方形贴片结构示意图。
图3为本发明实施例的接地板结构示意图。
图4为本发明实施例的侧面结构示意图。
图5为本发明实施例在1.572GHz时的回波损耗性能图。图5中的横坐标表示频率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6为本发明实施例在1.616GHz时的回波损耗性能图。图6中的横坐标表示频率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7为本发明实施例在2.492GHz时的回波损耗性能图。图7中的横坐标表示频率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8为本发明实施例在GPS导航***L1频段的E面方向图。图8中的坐标为极坐标。
图9为本发明实施例在GPS导航***L1频段的H面方向图。图9中的坐标为极坐标。
图10为本发明实施例在北斗导航***L频段的E面方向图。图10中的坐标为极坐标。
图11为本发明实施例在北斗导航***L频段的H面方向图。图11中的坐标为极坐标。
图12为本发明实施例在北斗导航***S频段的E面方向图。图12中的坐标为极坐标。
图13为本发明实施例在北斗导航***S频段的H面方向图。图13中的坐标为极坐标。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
参照图1～4，图中标记16和17为介电常数为4.4的正方形介质基板，标记16基板边长为34.0mm±0.1mm，标记17基板边长为72.0mm±0.1mm。在标记16的上表面和标记17的上下两面均敷有铜层。标记16的上表面采用了城墙状缝隙阵列加载技术，其基本形状是正方形。正方形贴片(图1标记1)采用角部对称三角形切角结构(图1标记2)，对应的三角形直角边长s1为5.0mm±0.1mm。在主辐射贴片1上加载关于贴片几何中心对称的城墙状缝隙阵列(图1标记3和4)，在每对城墙状缝隙中，外城墙状缝隙的长边L1为2.55mm±0.1mm，短边W1为1.45mm±0.1mm，距离正方形贴片1边的距离d3为2.677mm±0.1mm。内城墙状缝隙的长边W2为2.30mm±0.1mm，短边L2为1.55mm±0.1mm，距离正方形贴片1边的距离d4为5.307mm±0.1mm，缝隙宽度b1为0.55mm±0.1mm。在缝隙之间设置了耦合腔(图1标记5)，耦合腔半径为0.4mm±0.1mm，耦合腔之间距离d1为4.90mm±0.1mm。在两组正交的城墙阵列衔接处45度角位置引入多个调控耦合腔(图1标记6)，调控耦合腔半径为0.4mm±0.1mm，腔间距离d2为1.846mm±0.1mm。在标记17的上表面有边长为40.5mm±0.1mm的正方形贴片(图2中标记9)，采用角部对称三角形切角结构(图2中标记10)，对应的三角形直角边长s2为6.0mm±0.1mm。贴片四边中部引入矩形凹槽(图2标记11)形成类分形结构，该凹槽长边W4为7.75mm±0.1mm，短边L4为2.0mm±0.1mm。贴片***引入的关于贴片中心对称的改进型引向臂(图2标记12)的边长L5，W5分别为39.0mm±0.1mm，6.0mm±0.1mm，与贴片之间距离d5为4.75mm±0.1mm。改进型引向臂中采用城墙状缝隙结构(图2标记13)，长边W3为3.2mm±0.1mm，短边L3为1.8mm±0.1mm，缝隙宽度b2为0.7mm±0.1mm。
图中标记7、14和15为同轴馈电，半径都为0.6mm±0.1mm的空心圆柱，其中7穿过9、16、17对贴片1进行馈电，高度为6.0mm±0.3mm；而14、15是穿过17对贴片9进行馈电，高度为3.0mm±0.2mm，图中标记8为穿过上层基板16的短路钉。本发明中采用同轴线偏馈的形式馈电，这种馈电形式使得天线的S11更低，增益提高，其中同轴线的内芯通过馈孔与贴片连接，而同轴线的外芯与介质板下表面的反射板相连。
参见图5～7，从中可以看出，本发明天线的工作频段为：GPS导航***L1频段1.55GHz～1.605GHz，北斗导航***L频段1.57GHz～1.66GHz以及北斗导航***S频段2.45GHz～2.53GHz。在这三个工作频段内天线的回波损耗(S11)都在-10dB以下，在GPS***L1波段内的最小回波损耗为-25.68dB，在北斗导航***L频段内的最小回波损耗为-27.869dB，在北斗导航***S频段内的最小回波损耗为-25.69dB。本发明天线在GPS***L1频段的绝对带宽与相对带宽分别为：55MHz与3.49％；在北斗导航***L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：90MHz与5.57％；在北斗导航***S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：80MHz与3.21％，总性能优于一般的贴片微带天线，并且可以很好地兼容GPS导航***和北斗导航***的工作频段。
参见图8～13，其中图8和图9为GPS***L1频段工作频点1.572GHz的E面方向图和H面方向图，图10和图11为北斗导航***L频段工作频点1.616GHz的E面方向图和H面方向图，图12和图13为北斗导航***S频段工作频点2.492GHz的E面方向图和H面方向图。结果表明，本发明中的贴片微带天线具有定向辐射特性，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，贴片尺寸、缝隙的宽度、缝隙与各边的间距、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 (18)
1.城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于设有下层基板和上层基板，在上层基板和下层基板的上表面分别敷有金属层形成正方形贴片；上层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在上层正方形贴片上设有关于贴片几何中心对称的内外城墙状缝隙对，形成城墙状缝隙阵列，在带有电磁耦合的城墙状缝隙之间设有耦合腔，在两组正交的城墙阵列衔接处，设有4个45度角位置的调控耦合腔；下层正方形贴片采用角部对称三角形切角结构，在下层正方形贴片的四边中部各设有一个矩形凹槽形成类分形结构，在下层正方形贴片的四边***设有贴片中心对称的引向臂；下层基板下表面敷有良导体层作为接地板，在下层基板下表面上设有3个同轴馈电接头，3个同轴馈电接头分别与3个馈电点连接。
2.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述上层基板和下层基板均采用相对介电常数为2～12的介质基板。
3.如权利要求2所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述相对介电常数为4.4。
4.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于上层基板和下层基板的厚度为2～4mm；所述上层基板的边长为30～36mm；下层基板的边长为70～80mm。
5.如权利要求4所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于上层基板和下层基板的厚度为3mm；所述上层基板的边长为34mm；下层基板的边长为72mm。
6.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述上层正方形贴片的边长a1为24～28mm；采用角部对称三角形切角结构的角部切角边长s1为3～7mm。
7.如权利要求6所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述上层正方形贴片的边长a1为26mm；采用角部对称三角形切角结构的角部切角边长s1为5mm。
8.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述外城墙状缝隙的长边L1为1～6mm，短边W1为1～4mm，缝隙宽度b1为0.3～0.6mm；内城墙状缝隙的长边W2为1～3mm，短边L2为1～2mm；缝隙宽度b1为0.3～0.6mm，缝隙间耦合腔的半径为0.2～0.6mm，耦合腔之间距离d1为3～7mm，外城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d3为1～6mm，内城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d4为3～8mm。
9.如权利要求8所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述外城墙状缝隙的长边L1为2.55mm，短边W1为1.45mm，缝隙宽度b1为0.55mm；内城墙状 缝隙的长边W2为2.30mm，短边L2为1.55mm；缝隙间耦合腔的半径为0.4mm，耦合腔之间距离d1为4.90mm，外城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d3为2.677mm，内城墙状缝隙与上层正方形贴片的边的距离d4为5.307mm。
10.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述调控耦合腔的半径为0.2～0.6mm，调控耦合腔之间的距离d2为1～3mm。
11.如权利要求10所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于所述调控耦合腔的半径为0.4mm，调控耦合腔之间的距离d2为1.846mm。
12.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于上层辐射贴片北斗***终端天线S频段馈电点的半径为0.60mm±0.01mm，短路钉半径为0.60mm±0.01mm。
13.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于下层正方形贴片的边长a2为38～42mm；采用角部对称三角形切角结构来产生圆极化，角部切角边长s2为3～9mm；在下层正方形贴片四面中点设有矩形凹槽，形成类分形结构，所述矩形凹槽的长边W4为6～10mm，短边L4为1～3mm；***关于贴片中心对称的引向臂的边长长边L5为37～42mm，短边W5为4～8mm。
14.如权利要求13所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于下层正方形贴片的边长a2为40.5mm；角部切角边长s2为6mm；所述矩形凹槽的长边W4为7.75mm，短边L4为2mm；***关于贴片中心对称的引向臂的边长长边L5为39mm，短边W5为6mm。
15.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于下层基板上表面***引向臂城墙状缝隙的长边W3为1～6mm，短边L3为1～4mm，缝隙宽度b2为0.3～1.0mm。
16.如权利要求15所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于下层基板上表面***引向臂城墙状缝隙的长边W3为3.2mm，短边L3为1.8mm，缝隙宽度b2为0.7mm。
17.如权利要求1所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于引向臂与正方形贴片的距离d5为3～7mm；下层辐射贴片北斗***终端天线L频段馈电点的半径为0.60mm±0.01mm，GPS***终端天线L1频段馈电点的半径为0.60mm±0.01mm；接地板为正方形，接地板边长为70～80mm；接地板为厚度大于趋肤深度的银层或铜层。
18.如权利要求17所述城墙状孔缝多级耦合平面引向多应用叠层天线，其特征在于引向臂与正方形贴片的距离d5为4.75mm；接地板边长为72mm。
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