CN112490656B - 一种具有定位能力的小型圆极化gps-bd微带天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天线技术领域，涉及一种具有定位能力的小型圆极化GPS‑BD微带天线，其特征在于，包括上下层叠、几何中心相互重合的第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板和第四介质基板；所述第一介质基板位于最上层，第一介质基板上表面印制有上层辐射单元；所述第二介质基板紧贴于第一介质基板下方；所述第三介质基板紧贴于第二介质基板下方，第三介质基板上表面印制有金属地板，第三介质基板下层印制有馈电网络；所述第四介质基板紧贴于第三介质基板下方，第四介质基板下表面印制有下层辐射单元。它旨在保证天线正常辐射前提下，实现微带天线的小型化。

Description

一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，可用于各种有定位需求的***。
背景技术
在现如今的导航定位***中，天线作为核心部分，除了对圆极化的要求外,随着各种无线电元器件的小型化以及空间技术的发展,人们对缩小天线尺寸的要求更为迫切。
微带天线是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用蚀刻一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线，因具有体积小、重量轻、制造工艺简单、易共形等优点，而被广泛地应用。
实现微带天线小型化的具体方法有增加介电常数、加载、曲流、采用平面倒F以及平面倒L结构、采用分形结构等，其中增加介电常数和曲流是最为有效和常用的。但过高的介电常数不仅会增加成本，还会产生很强的表面波效应，带来微带天线的前后比变差的问题，需要使用大地板或加载AMC结构等解决该问题。S.D.Targonski,R.B.Waterhouse andD.M.Pozar发表在IEEE上的论文“Wideband aperture coupled microstrip patcharraywithbacklobe reduction”中提出一种反射器结构，其中微带天线采用耦合缝隙馈电形式，该反射器的反射场与孔径的辐射场相差近180度。为了保证产生180度的相位差，反射器通常需要放置于辐射器下方四分之一波长处，这就大大增加天线的剖面高度，从而影响天线的实用性。
发明内容
本发明提供了一种与上述现有技术构思不同的技术方案，旨在保证天线正常辐射前提下，实现微带天线的小型化。
本发明的目的是这样实现的，一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，包括上下层叠、几何中心相互重合的第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4；所述第一介质基板1位于最上层，第一介质基板1上表面印制有上层辐射单元5；所述第二介质基板2紧贴于第一介质基板1下方；所述第三介质基板3紧贴于第二介质基板2下方，第三介质基板3上表面印制有金属地板6，第三介质基板3下层印制有馈电网络7；所述第四介质基板4紧贴于第三介质基板3下方，第四介质基板4下表面印制有下层辐射单元8。
所述第一介质基板1的厚度H1＝3mm，第二介质基板2厚度H2＝4mm，所述第三介质基板3厚度H3＝2.5mm，所述第四介质基板4的厚度H4＝2.5mm。
所述上层辐射单元5边长L:0.199×λ0≤L≤0.205×λ0，下层辐射单元8边长d:0.153×λ0≤d≤0.164×λ0，其中λ0为GPSL1频段对应的自由空间波长，λ0＝190.48mm。
第四介质基板横截面圆的直径Φ为42mm-46mm之间，金属地板为正方形，尺寸为50mm×50mm。
所述上层辐射单元5与第一介质基板1的中心相互重合；下层辐射单元8与第四介质基板4的中心相互重合。
所述上下层叠的第一介质基板1为εr＝3.5的低介电常数基板，第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4为εr＝10.2的高介电常数基板。
所述上层辐射单元5的四条边上蚀刻有由外到内的矩形凸起51，四条边上蚀刻的由外到内的矩形凸起51底部围成正四边形，四条边其中一个矩形凸起51一侧蚀刻有一个矩形微扰凸起52；矩形微扰凸起52高于矩形凸起51，宽度窄于矩形凸起51。
所述金属地板6上蚀刻有两个相互垂直的H型缝隙61；所述两个相互垂直的H型缝隙61分别位于金属地板6负45度斜对角线的两侧，呈对称分布。
所述馈电网络7包括有两个相互垂直的T型馈线71，一个威尔金森功分器72和一个金属底座73，所述威尔金森功分器72始于负45度对角线的下端，包括一段50欧姆的微带线721、四分之一波长阻抗变化器722、隔离电阻725以及两个长度不等阻抗为50欧姆的微带线723和724，微带线723与微带线724分别与阻抗变化器722的两个末端相连接，其中微带线724含有一个垂直于水平方向向下突出的U型枝节；所述隔离电阻725两端分别连接于微带线723和微带线724之间；所述两个相互垂直的T型馈线71分别位于金属地板6负45度斜对角线的两侧，呈对称分布；所述金属底座73与IPEX接头连接，接入网络馈电。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过使用高低介电常数堆叠以及下层辐射单元的方式来实现天线尺寸的小型化，通过改变贴片形状加入微扰调节轴比带宽，在工作频段内实现了良好的圆极化特性。
2.本发明通过上层辐射单元的左旋圆极化与下层辐射单元的左旋圆极化辐射相位相差接近180度，场辐射相互抵消，而上层辐射单元的右旋圆极化与下层辐射单元的右旋圆极化辐射相位基本一致，场辐射相互叠加，保证了天线正常的辐射，不需要大地板来改善微带天线前后比，最终在工作频带内实现了天线的小型化。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的金属地板示意图；
图4为本发明的馈电网络结构示意图；
图5为本发明的威尔金森功分器结构示意图
图6为本发明的回波损耗仿真实验数据图；
图7为本发明的增益仿真实验数据图；
图8为本发明的轴比仿真实验数据图；
图9a为本发明在1.575GHz phi＝0度平面的辐射方向图；
图9b为本发明在1.561GHz phi＝0度平面的辐射方向图；
图10a为本发明在1.575GHz phi＝0度平面的轴比波束宽度图；
图10b为本发明在1.561GHz phi＝0度平面的轴比波束宽度图；
图11a为本发明上下层辐射单元左旋圆极化辐射相位图；
图11b为本发明上下层辐射单元右旋圆极化辐射相位图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容，结构特点，及所实现的目的和效果，将实施方式与具体图示结合予以说明：
实施例1
如图1所示，一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，包括上下层叠、几何中心相互重合的第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4；所述第一介质基板1位于最上层，第一介质基板1上表面印制有上层辐射单元5；所述第二介质基板2紧贴于第一介质基板1下方；所述第三介质基板3紧贴于第二介质基板2下方，第三介质基板3上表面印制有金属地板6，第三介质基板3下层印制有馈电网络7；所述第四介质基板4紧贴于第三介质基板3下方，第四介质基板4下表面印制有下层辐射单元8。
所述第一介质基板1的厚度H1＝3mm，第二介质基板2厚度H2＝4mm，所述第三介质基板3厚度H3＝2.5mm，所述第四介质基板4的厚度H4＝2.5mm。
本实施例取上层辐射单元5边长L＝38.5mm，下层辐射单元8边长d＝30.2mm，第四介质基板横截面圆的直径Φ为43mm，金属地板为正方形，尺寸为50mm×50mm。本实施例所采用的金属材料具体为铜。
所述上层辐射单元5与第一介质基板1的中心相互重合；下层辐射单元8与第四介质基板4的中心相互重合。
所述上下层叠的第一介质基板1为εr＝3.5的低介电常数基板，第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4为εr＝10.2的高介电常数基板。
如图2所示，所述上层辐射单元5的四条边上蚀刻有由外到内的矩形凸起51，四条边上蚀刻的由外到内的矩形凸起51底部围成正四边形，四条边其中一个矩形凸起51一侧蚀刻有一个矩形微扰凸起52；矩形微扰凸起52高于矩形凸起51，宽度窄于矩形凸起51。
四条边上蚀刻有由外到内的矩形凸起51形成分形结构，延长有效电流路径，并在其右上角处蚀刻有一个矩形微扰凸起52，拓宽轴比带宽，在所提频带满足3dB以下的标准。
如图3所示，所述金属地板6上蚀刻有两个相互垂直的H型缝隙61；所述两个相互垂直的H型缝隙61分别位于金属地板6负45度斜对角线的两侧，呈对称分布。
如图4、图5所示，所述馈电网络7包括有两个相互垂直的T型馈线71，一个威尔金森功分器72和一个金属底座73，所述威尔金森功分器72始于-45°对角线的下端，包括一段50欧姆的微带线721、四分之一波长阻抗变化器722、隔离电阻725以及两个长度不等阻抗为50欧姆的微带线723和724，微带线723与微带线724分别与阻抗变化器722的两个末端相连接，其中微带线724含有一个垂直于水平方向向下突出的U型枝节；所述隔离电阻725两端分别连接于微带线723和微带线724之间。
所述两个相互垂直的T型馈线71分别位于金属地板6负45度斜对角线的两侧，呈对称分布。
所述的一种小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述金属底座73与IPEX接头连接，接入网络馈电。
实施例2
本实施例的结构与实施例1的结构相同，如下参数作了调整：
所述上层辐射单元5边长L＝38mm，下层辐射单元边长d＝30.3mm，第四介质基板横截面圆的直径Φ为44mm，金属地板为正方形，尺寸为50mm×50mm。本实施例所采用的金属材料具体为铜。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明：
1、仿真条件及内容：
1.1参考图1，该天线包括上下层叠的第一介质基板1、第二介质基板2、第三介质基板3和第四介质基板4，上层辐射单元5、金属地板6、馈电网络7、下层辐射单元8，上层辐射单元5印制在第一介质基板1上表面，金属地板6和馈电网络7分别印制在第三介质基板3的上下表面，下层辐射单元8印制在第四介质基板4的下表面，馈电线通过IPEX接头与金属底座73连接。
1.2参照附图6，图7，图8，利用商业仿真软件ANSYS19.2对本发明的回波损耗，轴比和增益进行仿真计算。
1.3参照附图9a、图9b、图10a和图10b，利用商业仿真软件ANSYS19.2对天线的远场方向图进行仿真计算。
2、仿真结果：
参照图6，横坐标为频率，纵坐标为反射系数S11，以S11≤-10dB为标准，本实施例1的带宽为1.50-1.60GHz，覆盖了GPSL1和北斗L1频带。
参照图7，横坐标为频率，纵坐标为增益，在轴比(≤3dB)带宽内，天线的增益为2.03-3.67dBi。
参照图8，横坐标为频率，纵坐标为轴比AR，以AR≤3dB为标准，本发明的带宽为1.54-1.67GHz，覆盖了GPSL1和北斗L1频带。
参照图9a和图9b，本发明的前后比在1.575GHz时约为12.6，在1.561GHz时约为12.5，保证了微带天线的正常辐射。
参照图10a和图10b，本发明的轴比波束宽度在1.575GHz时约为182.48度，在1.561GHz时约为153.64度。
参照图11a和图11b，本发明上层辐射单元的左旋圆极化与下层辐射单元的左旋圆极化辐射相位相差接近180度，场辐射相互抵消，而上层辐射单元的右旋圆极化与下层辐射单元的右旋圆极化辐射相位基本一致，场辐射相互叠加。
以上描述仅是本发明的一个具体事例，不构成对本发明的任何限制，显然对本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，包括上下层叠、几何中心相互重合的第一介质基板(1)、第二介质基板(2)、第三介质基板(3)和第四介质基板(4)；所述第一介质基板(1)位于最上层，第一介质基板(1)上表面印制有上层辐射单元(5)；所述第二介质基板(2)紧贴于第一介质基板(1)下方；所述第三介质基板(3)紧贴于第二介质基板(2)下方，第三介质基板(3)上表面印制有金属地板(6)，第三介质基板(3)下层印制有馈电网络(7)；所述第四介质基板(4)紧贴于第三介质基板(3)下方，第四介质基板(4)下表面印制有下层辐射单元(8)；
所述上下层叠的第一介质基板(1)为εr＝3.5的低介电常数基板，第二介质基板(2)、第三介质基板(3)和第四介质基板(4)为εr＝10.2的高介电常数基板；
所述金属地板(6)上蚀刻有两个相互垂直的H型缝隙(61)；所述两个相互垂直的H型缝隙(61)分别位于金属地板(6)负45度斜对角线的两侧，呈对称分布；
所述馈电网络(7)包括有两个相互垂直的T型馈线(71)，一个威尔金森功分器(72)和一个金属底座(73)，所述威尔金森功分器(72)始于-45°对角线的下端，包括一段50欧姆的微带线(721)、四分之一波长阻抗变化器(722)、隔离电阻(725)以及两个长度不等阻抗为50欧姆的第一微带线(723)和第二微带线(724)，第一微带线(723)与第二微带线(724)分别与阻抗变化器(722)的两个末端相连接，其中第二微带线(724)含有一个垂直于水平方向向下突出的U型枝节；所述隔离电阻(725)两端分别连接于第一微带线(723)和第二微带线(724)之间；所述两个相互垂直的T型馈线(71)分别位于金属地板(6)负45度斜对角线的两侧，呈对称分布；所述金属底座(73)与IPEX接头连接，接入网络馈电。
2.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述第一介质基板(1)的厚度H1＝3mm，第二介质基板(2)厚度H2＝4mm，所述第三介质基板(3)厚度H3＝2.5mm，所述第四介质基板(4)的厚度H4＝2.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述上层辐射单元(5)边长L:0.199×λ0≤L≤0.205×λ0，下层辐射单元(8)边长d:0.153×λ0≤d≤0.164×λ0，其中λ0为GPSL1频段对应的自由空间波长，λ0＝190.48mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述第四介质基板(4)为圆柱形，其横截面圆的直径为Φ：42mm≤Φ≤46mm。
5.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述上层辐射单元(5)与第一介质基板(1)的中心相互重合；下层辐射单元(8)与第四介质基板(4)的中心相互重合。
6.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述上层辐射单元(5)的四条边上蚀刻有由外到内的矩形凸起(51)，四条边上蚀刻的由外到内的矩形凸起(51)底部围成正四边形，四条边其中一个矩形凸起(51)一侧蚀刻有一个矩形微扰凸起(52)；矩形微扰凸起(52)高于矩形凸起(51)，宽度窄于矩形凸起(51)。
7.根据权利要求1所述的一种具有定位能力的小型圆极化GPS-BD微带天线，其特征在于，所述金属地板(6)为正方形，尺寸为50mm×50mm。
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