扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微帶天線，尤其是涉及一種兼容北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)工作頻 點(diǎn)的大寬帶、高增益扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BeiDou)是我國(guó)自主研發(fā)的可供全天候、高精度、大范 圍、快速實(shí)時(shí)定位的區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)（CNSS)。它是繼美國(guó)全球定位系 統(tǒng)（GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS)之后的第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目 前，該導(dǎo)航系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)在中國(guó)及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時(shí)和報(bào)文功能，并已逐步滲透 到測(cè)繪、電信、水利、交通、漁業(yè)、勘探和國(guó)家安全等諸多領(lǐng)域。
[0003] 天線作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)中必不可少的一部分，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的性能有重要影 響。而隨著衛(wèi)星系統(tǒng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)天線提出了更高的要求，如寬帶化、小型化、多頻化 等。又因?yàn)楸倍沸l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)屬于主動(dòng)式雙向測(cè)距二維系統(tǒng)，要求其用戶設(shè)備必須含 有發(fā)射機(jī)，這導(dǎo)致了北斗終端天線需具備更高的要求。所以，為了使北斗系統(tǒng)更快更好地發(fā) 展，對(duì)北斗天線的深入研宄就顯得尤為迫切和重要。
[0004] 微帶天線是近30年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一類新型天線。傳統(tǒng)的微帶天線由于具有 剖面低、體積小、重量輕、可共性、易集成、饋電方式靈活，便于獲得線極化和圓極化等優(yōu)點(diǎn)， 已被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、衛(wèi)星通訊、導(dǎo)彈遙測(cè)等領(lǐng)域。但一般的微帶天線也存在著頻帶 窄、增益低、端射性能差等問(wèn)題，而天線貼片的形狀對(duì)天線的頻帶、增益、極化等有著直接的 影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種兼容北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)工作頻點(diǎn)的大寬帶、高 增益的扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線。
[0006] 本發(fā)明設(shè)有介質(zhì)基板、上表面良導(dǎo)體層、下表面良導(dǎo)體層和同軸饋電結(jié)構(gòu)；
[0007] 上表面良導(dǎo)體層和下表面良導(dǎo)體層分別涂敷于介質(zhì)基板的上下表面；上表面良導(dǎo) 體層為正方形貼片，正方形貼片設(shè)于介質(zhì)基板中部，在正方形貼片的一組對(duì)角上對(duì)稱加載2 個(gè)扳手型諧振環(huán)，所述扳手型諧振環(huán)是由一等腰直角三角形切角、矩形縫隙和帶缺口的圓 環(huán)刻槽組成的感性和容性組合的角部諧振結(jié)構(gòu)；所述等腰直角三角形切角的頂點(diǎn)與正方形 貼片所選加載對(duì)角的頂點(diǎn)重合，兩條直角邊位于由此頂點(diǎn)引出的正方形貼片的兩條邊上， 所述矩形縫隙的一條短邊與等腰直角三角形切角的斜邊重合，矩形縫隙的另一短邊為所述 帶缺口的圓環(huán)刻槽外圓的一條弦，所述帶缺口的圓環(huán)刻槽的圓心位于正方形貼片所選加載 的該組對(duì)角的對(duì)角線上，此對(duì)角線為所述缺口的對(duì)稱線；下表面良導(dǎo)體層作為接地板；所 述同軸饋電結(jié)構(gòu)的同軸內(nèi)導(dǎo)體接正方形貼片，同軸外導(dǎo)體接接地板。
[0008] 所述介質(zhì)基板可采用陶瓷或者環(huán)氧復(fù)合板，所述良導(dǎo)體層可為銅或銀，所 述介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)可為6. 0±2.0,介質(zhì)基板的形狀為正方形，其邊長(zhǎng)可為 60. 0± 9. 00mm，厚度可為 1. 80 ±0. 200mm。
[0009] 所述正方形貼片的邊長(zhǎng)可為38. 0±5. 00mm。
[0010] 所述矩形縫隙的矩形長(zhǎng)邊可為2. 00±0. 200mm，矩形短邊可為1. 90±0. 200mm。
[0011] 所述帶缺口的圓環(huán)刻槽，外圓直徑可為2. 80±0. 200mm，內(nèi)圓直徑可為 2. 00±0. 200_，缺口寬度可為 1. 00±0. 100_。
[0012] 所述同軸饋電結(jié)構(gòu)的饋電孔圓心與正方形貼片中心點(diǎn)的水平距離可為 8. 90 ±0. 500mm。
[0013] 現(xiàn)有的用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)天線相比，本發(fā)明具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)和顯 著的效果：
[0014] 在上述技術(shù)方案中，等腰直角三角形切角可實(shí)現(xiàn)天線圓極化，且又因切角面積較 大，其多輻射邊緣可大幅度地展寬微帶天線的帶寬；矩形縫隙可視為電感性調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)天 線圓極化特性，并且能與主輻射貼片共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作頻點(diǎn)的微調(diào)諧；帶缺口的圓環(huán)刻 槽可視為電容性調(diào)節(jié)，能在貼片邊緣引入容性電抗使得輻射貼片整體的Q值降低，進(jìn)而拓 寬了天線的阻抗帶寬。該天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)在常規(guī)正方形貼片天線的角部加入了同 時(shí)含容性和感性的扳手型調(diào)諧環(huán)，可通過(guò)這個(gè)局部區(qū)域諧振調(diào)節(jié)有效的控制天線的極化特 性，靈活調(diào)節(jié)天線的輻射邊長(zhǎng)，擴(kuò)展天線的頻帶帶寬，改善天線增益，提升天線的穩(wěn)定性。并 且，這種新型的調(diào)諧結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天線中心頻率的微調(diào)，使頻率調(diào)節(jié)更具靈活性。利 用本發(fā)明的扳手型調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可按需拓寬北斗系統(tǒng)中1.616GHz頻點(diǎn)帶寬，兼容GPS系統(tǒng) 1. 575GHz等頻點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2為圖1的中心橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的上表面良導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的下表面良導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的回波損耗（S11)性能圖。在圖5中，橫坐標(biāo)表示頻率（GHz)， 縱坐標(biāo)表示回波損耗強(qiáng)度（dB)。
[0020] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例的E面方向圖。在圖6中，坐標(biāo)為極坐標(biāo)。
[0021] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例的H面方向圖。在圖7中，坐標(biāo)為極坐標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0023] 參見圖1~4,本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有介質(zhì)基板1、上表面良導(dǎo)體層2、下表面良導(dǎo)體層 3和同軸饋電結(jié)構(gòu)4。介質(zhì)基板1的介電常數(shù)為5. 8,輪廓為正方形，邊長(zhǎng)為60. 0±9. 00mm， 厚度為1.80±0. 200mm。上表面良導(dǎo)體層2為正方形貼片，邊長(zhǎng)為38. 0±5. 00mm。在正方 形貼片2的一組對(duì)角上對(duì)稱加載兩個(gè)扳手型諧振環(huán)，扳手型諧振環(huán)是由一等腰直角三角形 切角21、矩形縫隙22和帶缺口的圓環(huán)刻槽23組成的感性和容性組合的角部諧振結(jié)構(gòu)。所 述等腰直角三角形切角21的頂點(diǎn)與正方形貼片2所選加載對(duì)角的頂點(diǎn)重合，兩條直角邊 位于由此頂點(diǎn)引出的正方形貼片2的兩條邊上，所述矩形縫隙22提供感性調(diào)節(jié)，其一條短 邊與等腰直角三角形切角21的斜邊重合，另一短邊為所述帶缺口的圓環(huán)刻槽23外圓的一 條弦，所述圓環(huán)刻槽23提供容性調(diào)節(jié)，其圓心位于正方形貼片2所選加載的該組對(duì)角的 對(duì)角線上，所述缺口關(guān)于此對(duì)角線對(duì)稱。所述矩形縫隙22的矩形長(zhǎng)邊為2. 00±0. 200mm， 短邊為1.90±0. 200mm。所述帶缺口的圓環(huán)刻槽23的外圓直徑為2. 80±0. 200mm，內(nèi)圓 直徑為2. 00±0. 200mm，缺口寬度為1.00±0. 100mm。所述同軸饋電結(jié)構(gòu)4的同軸內(nèi)導(dǎo) 體接正方形貼片2,同軸外導(dǎo)體接下表面良導(dǎo)體層3 (接地板）。同軸饋電結(jié)構(gòu)4是直徑 為1.00±0. 100mm的空心圓柱，該空心圓柱的圓心與正方形貼片2中心點(diǎn)的水平距離為 8. 90 ±0. 500mm。
[0024] 參見圖5,從圖5中可以看出，本發(fā)明中的天線回波損耗小于-10dB的阻抗帶寬范 圍是1. 568~1. 620GHz，數(shù)值為52MHz，這個(gè)范圍覆蓋了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的1. 616GHz頻點(diǎn)。 而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的一大技術(shù)難點(diǎn)便是1. 616GHz頻點(diǎn)的帶寬較窄，一般只有30MHz，本發(fā)明 的天線帶寬比一般情況下展寬了 1.73倍，這表明本發(fā)明有效地拓寬了天線帶寬。同時(shí)，利 用本發(fā)明的扳手型諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，可對(duì)頻率進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，使本發(fā)明還兼容了GPS系統(tǒng)中的 1. 575GHz這一頻點(diǎn)，提升了天線的性能。
[0025] 參見圖6和7,圖6為E面圖，圖7為H面圖。從圖6和7中可以看出，本發(fā)明具有 定向輻射特性，可以滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。
[0026] 表1給出本發(fā)明的制造加工誤差對(duì)天線的影響特性。
[0027]表 1
[0028]
[0029] 注：表1中的數(shù)據(jù)已有一定冗余，各參數(shù)之間有一定關(guān)聯(lián)性，給出的是均衡特性， 可根據(jù)需優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)完成特殊設(shè)計(jì)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，包括介質(zhì)基板、上表面良導(dǎo)體層、下表面良導(dǎo)體層 和同軸饋電結(jié)構(gòu)；其特征在于， 上表面良導(dǎo)體層和下表面良導(dǎo)體層分別涂敷于介質(zhì)基板的上下表面；上表面良導(dǎo)體層 為正方形貼片，正方形貼片設(shè)于介質(zhì)基板中部，在正方形貼片的一組對(duì)角上對(duì)稱加載2個(gè) 扳手型諧振環(huán)，所述扳手型諧振環(huán)是由一等腰直角三角形切角、矩形縫隙和帶缺口的圓環(huán) 刻槽組成的感性和容性組合的角部諧振結(jié)構(gòu)；所述等腰直角三角形切角的頂點(diǎn)與正方形貼 片所選加載對(duì)角的頂點(diǎn)重合，兩條直角邊位于由此頂點(diǎn)引出的正方形貼片的兩條邊上，所 述矩形縫隙的一條短邊與等腰直角三角形切角的斜邊重合，矩形縫隙的另一短邊為所述帶 缺口的圓環(huán)刻槽外圓的一條弦，所述帶缺口的圓環(huán)刻槽的圓心位于正方形貼片所選加載的 該組對(duì)角的對(duì)角線上，此對(duì)角線為所述缺口的對(duì)稱線；下表面良導(dǎo)體層作為接地板；所述 同軸饋電結(jié)構(gòu)的同軸內(nèi)導(dǎo)體接正方形貼片，同軸外導(dǎo)體接接地板。2. 如權(quán)利要求1所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述介質(zhì)基 板采用陶瓷或者環(huán)氧復(fù)合板，所述良導(dǎo)體層為銅或銀，所述介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)為 6. 0±2. 0。3. 如權(quán)利要求2所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述介質(zhì)基板的 形狀為正方形，邊長(zhǎng)為60. 0± 9. 00mm，厚度為1. 80 ±0. 200mm。4. 如權(quán)利要求1所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述正方形貼片 的邊長(zhǎng)為38. 0± 5. 00mm。5. 如權(quán)利要求1所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述矩形縫隙的 矩形長(zhǎng)邊為2. 00 ±0. 200mm，矩形短邊為1. 90 ±0. 200mm。6. 如權(quán)利要求1所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述帶缺口 的圓環(huán)刻槽的外圓直徑為2. 80±0. 200mm，內(nèi)圓直徑為2. 00±0. 200mm，缺口寬度為 I. 00±0. 100mm。7. 如權(quán)利要求1所述扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，其特征在于，所述同軸饋電結(jié) 構(gòu)的饋電孔的圓心與正方形貼片中心點(diǎn)的水平距離為8. 90±0. 500mm。
【專利摘要】扳手型諧振環(huán)加載北斗微帶天線，涉及一種微帶天線。設(shè)有介質(zhì)基板、上下表面良導(dǎo)體層和同軸饋電結(jié)構(gòu)；上下表面層分別涂敷于介質(zhì)基板的上下表面；上表面層為正方形貼片，正方形貼片設(shè)于介質(zhì)基板中部，在正方形貼片的一組對(duì)角上對(duì)稱加載2個(gè)扳手型諧振環(huán)，扳手型諧振環(huán)由一等腰直角三角形切角、矩形縫隙和帶缺口的圓環(huán)刻槽組成，等腰直角三角形切角頂點(diǎn)與正方形貼片所選加載對(duì)角的頂點(diǎn)重合，兩條直角邊位于由此頂點(diǎn)引出的正方形貼片兩條邊上，矩形縫隙的一條短邊與等腰直角三角形切角的斜邊重合，矩形縫隙的另一短邊為圓環(huán)刻槽外圓的一條弦，圓環(huán)刻槽的圓心位于正方形貼片所選加載的該組對(duì)角的對(duì)角線上；同軸饋電結(jié)構(gòu)的同軸內(nèi)導(dǎo)體接正方形貼片。
【IPC分類】H01Q13/10, H01Q21/24, H01Q1/38, H01Q13/08
【公開號(hào)】CN104934714
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510362277
【發(fā)明人】游佰強(qiáng), 戚宇軒, 全威, 周建華, 李 杰, 周濤
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)
【公開日】2015年9月23日
【申請(qǐng)日】2015年6月26日