長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)低仰角高增益北斗多頻微帶天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多頻微帶天線，尤其涉及一種適用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長袖衫 型開口調(diào)諧環(huán)低仰角高增益北斗多頻微帶天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國政府正在發(fā)展并旨在形成全球覆蓋能力的衛(wèi)星導(dǎo)航系 統(tǒng)，它的出現(xiàn)及逐步完善極大地帶動(dòng)了我國衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國國家航空局于 2000年發(fā)射第一顆北斗一代衛(wèi)星，于2007年開始建設(shè)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（北斗二號(hào)），該 系統(tǒng)能向上兼容北斗一代，2012年北斗二代已能為亞太地區(qū)客戶提供服務(wù)，并計(jì)劃在2020 形成全球覆蓋能力。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的時(shí)空信息服務(wù)正 表現(xiàn)出越來越大的應(yīng)用潛力，而具有短報(bào)文通信功能的北斗系統(tǒng)無疑將在我國各行業(yè)獲得 廣泛應(yīng)用
[0003] 作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射/接收單元，終端天線的功能及性能直接影響各類終 端能否利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常發(fā)揮其作用。隨著我國北斗系統(tǒng)向二代演進(jìn)，需要設(shè)計(jì)能 兼容北斗一代、二代頻點(diǎn)的終端天線。北斗主要頻段有北斗一代上行L頻段（中心頻點(diǎn) 1616MHz)、下行S頻段（中心頻點(diǎn)2492MHz)，北斗二代BI、B2、B3頻點(diǎn)（中心頻點(diǎn)分別為 1561MHz、1207MHz、1268MHz)。此外，在特定應(yīng)用場合，為滿足北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 多模兼容，也要求終端天線具有多頻段兼容特性。為有效覆蓋多個(gè)頻段，天線需要具備多頻 或?qū)掝l特性。
[0004] 根據(jù)三球定位原理，接收機(jī)天線至少要接收到三個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)才能定位，且接收 到的衛(wèi)星信號(hào)越多，特別是低仰角衛(wèi)星信號(hào)，定位結(jié)果越精確。所以提高天線低仰角增益對(duì) 于北斗天線有著重要的實(shí)用意義
[0005]目前微帶天線多頻化實(shí)現(xiàn)形式多樣，可利用單層貼片的多模諧振、單層貼片的多 諧振單元或采用疊層結(jié)構(gòu)等。每種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，如通過單饋單層多模諧振法來實(shí)現(xiàn)多 頻化時(shí)，天線結(jié)構(gòu)簡單，饋電簡單，但可能出現(xiàn)帶寬較窄、增益低等問題。利用疊層結(jié)構(gòu)可獲 得良好的多頻性能，且多頻易調(diào)諧，但天線剖面較高，且采用多饋點(diǎn)時(shí)還需考慮端口隔離度 等問題。
[0006] 近年來，雖然應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的微帶天線多頻化已有不少研究成果，但主要 集中在雙頻天線，對(duì)于可兼容北斗US和B3三個(gè)頻段且具有低仰角高增益特性的微帶天線 很少有成功樣例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種阻抗帶寬和回波損耗滿足北斗系統(tǒng)要求、低仰角高增 益、可同時(shí)兼容US和B3三個(gè)北斗頻段的長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)低仰角高增益北斗多頻微帶 天線。
[0008] 本發(fā)明設(shè)有上介質(zhì)基板、下介質(zhì)基板和金屬背腔；所述上介質(zhì)基板上表面設(shè)有上 層貼片，所述上層貼片為加載有四個(gè)呈對(duì)稱分布的長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)的圓形輻射貼片， 所述圓形輻射貼片的頂端和底端設(shè)有圓弧形凸起，可拓寬天線阻抗帶寬；所述長袖衫型開 口調(diào)諧環(huán)之間設(shè)有可引導(dǎo)表面電流流向的T型縫隙；所述下介質(zhì)基板的上表面設(shè)有下層貼 片，所述下層貼片為左、右兩端分別切有圓弧形凹槽的圓形貼片；所述上層貼片相較于下層 貼片向右偏心放置，以有效實(shí)現(xiàn)單饋疊層多頻天線的阻抗匹配；所述金屬背腔為帶有傾斜 反射面的金屬腔，可提高天線低仰角增益。
[0009] 所述上介質(zhì)基板和下介質(zhì)基板皆可采用高性能介質(zhì)材料基板材料，相對(duì)介電常數(shù) 為3~9,最好為6. 15±5%。
[0010] 所述上介質(zhì)基板和下介質(zhì)基板均可采用圓形介質(zhì)基板，上介質(zhì)基板的半徑可為 15~25mm，厚度可為2. 5~3. 5mm ;下介質(zhì)基板的半徑可為30~45mm，厚度可為2. 5~ 3. 5mm〇
[0011] 所述上層貼片結(jié)構(gòu)輪廓為頂端和底端設(shè)有圓弧形凸起的圓形結(jié)構(gòu)，所述圓形結(jié)構(gòu) 的半徑為15~25mm，所述圓弧形凸起的半徑為3. 5~6. 0mm。通過圓弧形凸起結(jié)構(gòu)可對(duì)天 線產(chǎn)生微擾，展寬L頻段帶寬。
[0012] 所述上層貼片上設(shè)有四個(gè)呈對(duì)稱分布的長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)，所述長袖衫型開口 調(diào)諧環(huán)結(jié)構(gòu)縫隙寬度為0. 7~I. 2mm，外環(huán)外邊長為4. 8~7. 8mm，外環(huán)內(nèi)邊長為4~6mm， 內(nèi)環(huán)外邊長為3~5mm，內(nèi)環(huán)內(nèi)邊長為2. 2~3. 7mm。
[0013] 所述長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)結(jié)構(gòu)通過在互補(bǔ)金屬開口環(huán)結(jié)構(gòu)（CSRR)的外環(huán)縫隙延 伸出兩條長袖型縫隙形成，所述長袖型縫隙張角為66°~86°，外徑長為17~24mm，內(nèi)徑 長為15~22_，寬度為0. 7~I. 2_，兩條長袖之間的縫隙寬為1. 5~2. 5_。所述長袖衫 型開口調(diào)諧環(huán)結(jié)構(gòu)除具有CSRR結(jié)構(gòu)的小型化作用外，還能激勵(lì)適用于北斗系統(tǒng)的雙頻諧 振（北斗L和S頻段），并通過調(diào)節(jié)開口環(huán)與天線中心的距離有效調(diào)諧雙頻比。
[0014] 所述上層貼片層的長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)之間設(shè)有T型縫隙，所述T型縫隙水平部 分長度為5. 0~8. 2mm，寬度為0. 7~I. 2mm。所述T型縫隙豎線部分長度為4. 0~6. 6mm， 寬度為〇. 7~I. 2_。通過加載T型縫隙可減小天線尺寸。
[0015] 所述下層貼片結(jié)構(gòu)輪廓為左右兩端切有圓弧形凹槽的圓形結(jié)構(gòu)。所述圓形結(jié)構(gòu)半 徑為25~35mm。通過調(diào)節(jié)精確實(shí)現(xiàn)所需的工作頻段。所述圓弧形凹槽的半徑為3~5mm。
[0016] 所述對(duì)上層貼片的饋電采用同軸線結(jié)構(gòu)，所述饋電結(jié)構(gòu)半徑為0. 5~0. 8mm，實(shí)現(xiàn) 特性阻抗為50歐姆的阻抗匹配。下層貼片為寄生輻射貼片，通過上層貼片對(duì)其耦合饋電。
[0017] 所述上層圓形貼片相較于下層圓形貼片向右偏心放置，上下層貼片中心偏離，偏 離距離為0. 5~0. 8mm，下貼片位置相對(duì)上貼片旋轉(zhuǎn)了 0°，有效實(shí)現(xiàn)單饋疊層多頻天線的 阻抗匹配。
[0018] 所述下層介質(zhì)基板下方有異形金屬背腔，所述異形金屬背腔結(jié)構(gòu)為內(nèi)部切有圓臺(tái) 結(jié)構(gòu)的圓柱體，所述圓柱體半徑為45~55mm，高度為5~9mm，所述圓臺(tái)結(jié)構(gòu)上表面半徑為 44~54mm，下表面半徑為35~45mm，寬為15~22mm，高度為4~8mm。通過添加異形金屬 背腔，可顯著提高天線低仰角增益。
[0019] 與現(xiàn)有天線相比，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)和顯著的效果：
[0020] 給出一種取形于CSRR結(jié)構(gòu)的長袖衫型開口環(huán)，該結(jié)構(gòu)在小型化天線的同時(shí)，使天 線上層貼片獲得了滿足北斗系統(tǒng)要求的雙頻諧振。給出一種異形金屬腔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可顯 著提高天線低仰角增益，進(jìn)而提高系統(tǒng)定位精度。為驗(yàn)證有效性，與同樣大小的傳統(tǒng)金屬地 板進(jìn)行了性能對(duì)比分析，結(jié)果表明，由于采用了以上結(jié)構(gòu)，本發(fā)明能兼容北斗L、S和B3頻 段，而且低仰角增益性能優(yōu)良，能夠適用北斗高精度定位需求。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0023] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例的上基板表面良導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例的下基板表面良導(dǎo)體層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例的回?fù)軗p耗（Sll)性能圖、圖中橫坐標(biāo)表示頻率（GHz)，縱坐 標(biāo)表示回波損耗強(qiáng)度（dB)。
[0026] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例在B3頻段時(shí)的增益方向圖。在圖6中，坐標(biāo)為極坐標(biāo)。
[0027] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例在L頻段時(shí)的增益方向圖。在圖7中，坐標(biāo)為極坐標(biāo)。
[0028] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例在S頻段時(shí)的增益方向圖。在圖8中，坐標(biāo)為極坐標(biāo)。
[0029] 圖9為長袖衫型開口環(huán)兩條長袖型縫隙張角Phi對(duì)天線回波損耗的影響。
[0030] 圖10為長袖衫型開口環(huán)與天線中心的距離Loz對(duì)天線回波損耗的影響。
[0031] 圖11為長袖衫型開口環(huán)外邊長Lzl對(duì)天線回波損耗的影響。
[0032] 圖12為下層貼片與上層貼片的偏心距DO對(duì)天線回波損耗的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0034] 參見圖1~4,本發(fā)明實(shí)施例由上層貼片、上介質(zhì)基板、下層貼片、下介質(zhì)基板和異 形金屬背腔五個(gè)部分組成。
[0035] 上介質(zhì)基板皆采用高性能介質(zhì)基板材料，相對(duì)介電常數(shù)為3~9,典型取值為 6. 15±5%。上介質(zhì)基板半徑為15. 0~25. 0_，典型取值為20. 8±5%，厚度為2. 5~ 3. 5mm，典型取值為3. 0±5% ;下介質(zhì)基板半徑為30. 0~45. 0mm，典型取值為30. 5±5%， 厚度為2. 5~3. 5mm，典型取值為3. 0 ± 5 %。
[0036] 上層貼片結(jié)構(gòu)輪廓為頂端和底端設(shè)有圓弧形凸起的圓形結(jié)構(gòu)，所述圓形結(jié)構(gòu)的 半徑為15~25mm，典型取值為19±5%，所述圓弧形凸起的半徑為3. 5~6. 0mm，典型取 值為5. 0±5%。上層貼片上設(shè)有四個(gè)呈對(duì)稱分布的長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)，所述長袖衫型 開口調(diào)諧環(huán)結(jié)構(gòu)縫隙寬度C5為0. 7~I. 2mm，典型取值為0. 8±5 %，外環(huán)外邊長Lzl為 4.8~7.8謹(jǐn)，典型取值為5. 2±5%，外環(huán)內(nèi)邊長C3為4~6謹(jǐn)，典型取值為5±5%，內(nèi) 環(huán)外邊長C2為3~5mm，典型取值為4±5 %，內(nèi)環(huán)內(nèi)邊長Cl為2. 2~3. 7mm，典型取值為 2. 6±5%。所述長袖衫型開口調(diào)諧環(huán)通過在互補(bǔ)金屬開口環(huán)結(jié)構(gòu)（CSRR)的外環(huán)縫隙延伸 出兩條長袖型縫隙形成，所述長袖型縫隙張角Phi為66°~86°，典型值為77±5%，外徑 長為17. 0~24. 0