CN108155468B - 带csrr分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线 - Google Patents

带csrr分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线 Download PDF

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Abstract

带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，涉及圆极化微带天线。设有介质基板，在基板上下表面覆有良导体，上表面加工成内部矩形片和外部矩形框状辐射贴片并通过位于四边中部的4个桥连接；辐射贴片的外边中部采用4个T形缝隙加载，在左上角和右下角分别加载尺寸相同的阶梯控制正交简并模及圆极化的轴比；所述内部矩形贴片为一个带双切角的矩形贴片，切角位于内部矩形贴片的右上方和左下方，在内部矩形贴片内靠近角部加入4个互补开口矩形或圆形CSRR谐振环结构，由2个相互开口嵌套的C形环组成，每个结构以右上角的CSRR顺时针旋转90°得到，在基板下表面设有带双环同心矩形嵌套环的矩形接地板并由2个桥体交错连接。

Description

带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线
技术领域
本发明涉及圆极化微带天线，尤其是涉及一种适用于北斗B2/S频段的带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线。
背景技术
卫星导航***是使用卫星来提供地理空间的***。通过卫星广播发送的时间信号，使得小型电子接收器可以高精度地确定其位置。早期20世纪的卫星导航目的是用于军事应用。卫星导航可以精确地向目标投掷武器，大大提高杀伤力，同时减少无意的死亡。而在21世纪，卫星导航在导航、测绘、精确时间基准以及天气预报等民用领域起着至关重要的作用。因此，卫星导航也成了许多国家的重要研究领域[1][2]。
在卫星导航***中，各个导航***的频段分布在相对接近的位置。同时又有不同的分布区域，由于电离层中的极化旋转，导航卫星的信号是圆极化的。当线性极化天线接收圆极化卫星信号时，接收信号会衰减3dB。因此，大多数全球卫星导航***的接收天线是圆极化[3]。随着应用要求的提高，如今对卫星导航天线的定位精度越来越高，为了满足天线覆盖同一导航***不同频段或者需要不同导航***频段的要求，对天线的带宽、工作频率和体积提出了更高的要求。研究并设计能够工作在多频，以及覆盖多个导航***的圆极化天线是非常关键的[4][5]。
参考文献：
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发明内容
本发明的目的在于针对小型化以及多***兼容等问题，提供一种尺寸小，结构新颖，回波损耗低，增益高，性能良好，可用于卫星导航，适用于北斗B2/S频段、双模工作天线的带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线。
本发明设有介质基板，在介质基板的上下表面覆有良导体，所述上表面良导体加工成内部矩形片和外部矩形框状辐射贴片两部分，内部矩形片和外部矩形框状辐射贴片通过位于四边中部的4个桥连接；所述外部框状矩形辐射贴片的外边中部采用4个T形缝隙加载，在外部框状矩形辐射贴片的左上角和右下角分别加载尺寸相同的阶梯控制正交简并模及圆极化的轴比；所述内部矩形贴片为一个带双切角的矩形贴片，所述切角位于内部矩形贴片的右上方和左下方，在内部矩形贴片内靠近角部加入4个互补开口矩形或圆形CSRR谐振环结构，该结构由2个相互开口嵌套的C形环组成，每个结构以右上角的CSRR顺时针旋转90°得到，利用CSRR可以形成带左手效应的角部电磁谐振特性，改善天线2个谐振频点的性能，减小天线的尺寸，控制方向图；在介质基板的下表面设有带双环同心矩形嵌套环的矩形接地板并由2个桥体交错连接，控制背向辐射及天线的方向图并与上方辐射片形成立体耦合式电磁调控。
所述介质基板可采用正方形介质基板，介电常数为2～8，边长为Sub1＝Sub2＝40.00～80.00mm，介质板的厚度为2.00～4.00mm。
所述外部矩形框状辐射贴片的长度可为Patch1＝30.00～60.00mm，宽度可为Patch2＝30.00～60.00mm。
所述T形缝隙的长度可为dl2＝20.00～40.00mm，高度可为dw1＝1.50～3.00mm，长边的宽度可为dw2＝0.80～1.60mm，高边的宽度可为dl1＝4.00～8.00mm。
所述外部矩形框状辐射贴片的左上角和右下角尺寸相同的阶梯的长度可为loadl1＝3.00～6.00mm，宽度可为loadw2＝0.08～0.16mm。在框状贴片外部的右上角加载阶梯,阶梯的长度为lo_l＝1.8～3.6mm,宽度为lo_w＝0.2～0.4mm。
所述内部矩形贴片可为一个带双切角的矩形贴片，所述切角位于贴片的右上方和左下方。内部矩形贴片的长度可为iPatch1＝23.00～46.00mm，宽度可为iPatch2＝23.00～46.00mm。切角的一条直角边的长度可为d_w＝2.50～5.00mm，另外一条直角边的长度可为d_w＝2.50～5.00mm。
所述内部矩形贴片和外部矩形框状辐射贴片通过位于四边中部的四个桥连接。所述桥的长度可为gap_l＝18～16mm，宽度可为gap_w＝1.00～2.00mm。
所述矩形CSRR谐振结构中的内部C形环的长度可为cl2＝2.5～5.0mm，宽度可为cw2＝0.4～0.8mm，开口缝隙的长度可为ck＝0.70～1.40mm。外部C形环的长度可为cl1＝4.00～8.00mm，宽度可为cw1＝0.4～0.8mm，开口缝隙的长度可为ck＝0.70～1.40mm。每个CSRR结构的中心点与介质基板的中心点的距离为d＝6～12mm。
所述介质基板的下表面设有带双环同心矩形嵌套环的矩形接地板并由2个桥体交错连接，所述同心环的外圆半径可为2.50～5.00mm，内圆的半径可为1.50～3.00mm，桥的宽度可为0.15～0.30mm。
所述内部矩形贴片上可设有馈电点，所述馈电点到天线内部矩形贴片的下边界距离可为8.00～16.00mm。
与现有的圆极化微带天线相比，本发明具有如下突出的优点和效果：
采用切角和阶梯加载微扰的方法产生圆极化，结构简单，易于集成，尺寸小，成本低廉，天线可以在两个谐振频率上工作于和模式。通过CSRR结构抑制高次模，改善了天线的阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的局部矩形CSRR结构示意图。
图3为本发明实施例的介质基板下表面示意图。
图4为本发明实施例的回波损耗性能图。在图4中，横坐标表示频率Frequency(GHz),纵坐标表示回波损耗强度(dB)。
图5为本发明实施例在1.206GHz频点处的轴比图。
图6为本发明实施例在2.49GHz频点处的轴比图。
图7为本发明实施例在1.206GHz频点处的增益图。
图8为本发明实施例在2.49GHz频点处的增益图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参见图1～3，本发明实施例设有正方形介质基板，介电常数为6.15，边长为Sub1＝Sub2＝59.00mm，介质板的厚度为2.54mm。在介质基板的上下表面覆有良导体，上表面良导体加工成内部矩形片和外部矩形框状辐射贴片两部分，二者通过位于上述结构四边中部的四个桥连接。所述桥的长度为gap_l＝10.00mm，宽度为gap_w＝1.50mm。外部框状矩形辐射贴片的外边中部采用四个T形的缝隙加载，在框状贴片外部的左上角和右下角分别加载尺寸相同的阶梯来控制正交简并模及圆极化的轴比，所述外部框状矩形贴片的长度为Patch1＝42.10mm，宽度为Patch2＝42.10mm，T型缝隙的长度为dl2＝26.00mm，高度为dw1＝2.00mm，长边的宽度为dw2＝1.00mm，高边的宽度为dl1＝6.50mm。阶梯加载的长度为loadl1＝3.00mm，宽度为loadw2＝0.10mm。在框状贴片外部的右上角加载阶梯,阶梯的长度为lo_l＝1.8～3.6mm,宽度为lo_w＝0.2～0.4mm。内部矩形贴片为一个带双切角的矩形贴片，所述切角位于贴片的右上方和左下方，内部矩形贴片的长度为iPatch1＝28.70mm，宽度为iPatch2＝28.70mm。右上角和左下角三角形切角的一条直角边的长度为d_w＝3.90mm，另外一条直角边的长度为d_w＝3.90mm。在内部贴片内靠近角部加入了四个互补开口矩形CSRR谐振环结构，该结构由两个相互开口嵌套的C形环组成，每个结构以右上角的CSRR顺时针旋转90°得到。内部的C形环长度为cl2＝3.50mm，宽度为cw2＝0.50mm，开口缝隙的长度为ck＝1.00mm。外部的C形环的长度为cl1＝5.50mm，cw1＝宽度为0.50mm，开口缝隙的长度为ck＝1.00mm。每个CSRR结构的中心点与介质基板的中心点的距离为d＝9.50mm。在介质基板的下表面设有带双环同心矩形嵌套环的矩形接地板，样例板材厚度取2mm，地板套环结构与上辐射面之间属于适中的电磁耦合结构，三者由2个桥体交错连接，控制背向辐射及天线的方向图并与上方辐射片形成立体耦合式电磁调控。所述同心环A的内圆的半径为2.00mm，外圆的半径为2.50mm，桥体的宽度为0.20mm。所述内部矩形贴片上的馈电点O到内部矩形贴片下边界的距离为8.00mm。
本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况如表1所示。
表1
注:表中数据已经有一定冗余，个别参数之间有一定的关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计
参见图4，天线在低频处的回波损耗为-20dB,天线低频1.206GHz处的阻抗带宽为10MHz,相对带宽为0.83％。在高频2.49GHz处的回波损耗为-22dB，阻抗带宽为50MHz，相对带宽为2％。实现了良好的特性，适用于导航天线的要求。
参见图5～6，图5是1.206GHz频点处的轴比图，图6是在2.49GHz频点处的轴比图。
参见图7～8，图7是在1.206GHz频点处的增益图，图8是在2.49GHz频点处的增益图。从图中可以看出，右旋圆极化的增益要远大于左旋圆极化，其中在频点1.206GHz处的最大右旋圆极化增益为1.6dB,3dB波瓣宽度为104°，在频点2.49GHz处的最大右旋圆极化增益为4.54dB,3dB波瓣宽度为88°。

Claims (10)

1.带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于设有介质基板，在介质基板的上下表面覆有良导体，上表面良导体加工成内部矩形贴片和外部矩形框状辐射贴片两部分，内部矩形贴片和外部矩形框状辐射贴片通过位于四边中部的4个桥连接，外部矩形框状辐射贴片的外边中部采用4个T形的缝隙加载，在外部矩形框状辐射贴片的左上角和右下角分别加载尺寸相同的阶梯来控制正交简并模及圆极化的轴比；内部矩形贴片为一个带双切角的矩形贴片，所述切角位于内部矩形贴片的右上方和左下方；在内部矩形贴片内靠近角部加入4个互补开口矩形CSRR谐振环结构，该结构由两个相互开口嵌套的C形环组成，右下角CSRR结构以右上角的CSRR顺时针旋转90°得到，左下角CSRR结构以右下角的CSRR顺时针旋转90°得到，左上角CSRR结构以左下角的CSRR顺时针旋转90°得到，利用CSRR形成带左手效应的角部电磁谐振特性，在介质基板的下表面设有带同心环的矩形接地板并由2个桥体交错连接，控制背向辐射及天线的方向图并与上方辐射片形成立体耦合式电磁调控。
2.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述介质基板为正方形介质基板，介电常数为2～8，边长为Sub1＝Sub2＝40.00～80.00mm，介质基板的厚度为2.00～4.00mm。
3.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述外部矩形框状辐射贴片的长度为Patch1＝30.00～60.00mm，宽度为Patch2＝30.00～60.00mm。
4.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述T形缝隙的长度为dl2＝20.00～40.00mm，高度为dw1＝1.50～3.00mm，长边的宽度为dw2＝0.80～1.60mm，高边的宽度为dl1＝4.00～8.00mm。
5.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述外部矩形框状辐射贴片的左上角和右下角尺寸相同的阶梯的长度为loadl1＝3.00～6.00mm，宽度为loadw2＝0.08～0.16mm，在外部矩形框状辐射贴片的右上角加载阶梯，阶梯的长度为lo_l＝1.8～3.6mm，宽度为lo_w＝0.2～0.4mm。
6.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述内部矩形贴片为一个带双切角的矩形贴片，所述切角位于贴片的右上方和左下方，内部矩形贴片的长度为iPatch1＝23.00～46.00mm，宽度为iPatch2＝23.00～46.00mm，切角的一条直角边的长度为d_w＝2.50～5.00mm，另外一条直角边的长度为d_w＝2.50～5.00mm。
7.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述内部矩形贴片和外部矩形框状辐射贴片通过位于四边中部的四个桥连接；所述桥的长度为gap_1＝8.00～16.00mm，宽度为gap_w＝1.00～2.00mm。
8.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述矩形CSRR谐振环结构中的内部C形环的长度为cl2＝2.50～5.00mm，宽度为cw2＝0.40～0.80mm，开口缝隙的长度为ck＝0.70～1.40mm，外部C形环的长度为cl1＝4.00～8.00mm，宽度为cw1＝0.40～0.80mm，开口缝隙的长度为ck＝0.70～1.40mm，每个CSRR结构的中心点与介质基板的中心点的距离为d＝6.00～12.00mm。
9.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于在介质基板的下表面设有带同心环的矩形接地板并由2个桥体交错连接；所述同心环的外圆半径为2.50～5.00mm，内圆的半径为1.50～3.00mm，桥的宽度为0.15～0.30mm。
10.如权利要求1所述带CSRR分布控制及套环耦合地的双模双频圆极化天线，其特征在于所述内部矩形贴片上设有馈电点，所述馈电点到天线内部矩形贴片的下边界距离为dl＝8.00～16.00mm。
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