專利名稱：用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種嵌套復(fù)合環(huán)天線，尤其涉及一種用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線。
背景技術(shù)：
自2000年以來，中國已成功發(fā)射了4顆北斗一號導(dǎo)航定位衛(wèi)星和8顆北斗二號導(dǎo)航定位衛(wèi)星，已建成北斗一號導(dǎo)航試驗系統(tǒng)并正在建設(shè)覆蓋全球的北斗二號衛(wèi)星定位系統(tǒng)。目前該導(dǎo)航系統(tǒng)具備在中國及其周邊地區(qū)范圍內(nèi)的定位、授時、報文和GPS廣域差分功能，并已在測繪、電信、水利、交通運輸、漁業(yè)、勘探、森林防火和國家安全等諸多領(lǐng)域逐步發(fā)揮重要作用。天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航的重要部件，對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的好壞起著重要作用。
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，其終端接收機類型也越來越多。根據(jù)用途可分為車載式、艦載式、機載式、星載式以及彈載式等。所以它對終端天線要求要有電氣特性、機械特性、較強的適應(yīng)環(huán)境的能力。目前常用的衛(wèi)星終端天線有十字交叉振子天線、四臂螺旋天線、微帶天線以及螺旋天線。其中，微帶天線以其優(yōu)良的性能而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星終端接收設(shè)備中。1953年，G. A. DeschamPs教授提出利用微帶線的福射來制成微帶微波天線的概念，1955年H. Gutton和G. Baissinot申請了專利。1972年，芒森(R. E. Munson)和豪威爾(J. Q. Howell)等研制成功了第一批實用的微帶天線,之后隨著基片的光刻技術(shù)和各種低損耗機制材料的出現(xiàn)，微帶天線得到了迅速地發(fā)展。在展寬帶寬方面CamNguyen等人提出了采用不同材料的介質(zhì)基板、天線加載、采用、口徑稱合等方式來展寬頻帶帶寬。在如何實現(xiàn)雙頻或多頻天線時，D. M. Pozar和K-L Wong教授等提出了采用同一貼片，通過加載或開縫的方法改變貼片各種自然模的場分布，進而使諧振頻率受到調(diào)制，最終實現(xiàn)雙頻或多頻工作；對于圓極化技術(shù)方面，國內(nèi)西安電子科技大學(xué)的朱艷玲和焦永昌等設(shè)計了一種共口徑雙頻雙圓極化的微帶天線，通過工作于高次模和主模的輻射貼片嵌套實現(xiàn)了雙頻雙圓極化的要求，此外不但可以通過饋電激起兩個模式的線極化波幅度相等、相位差90°時，就能得到圓極化的輻射波，還可以通過正交雙饋來實現(xiàn)圓極化；對于天線的小型化，Hately, M. C和Kabbary, F. M, Stewant, B. G發(fā)明了交叉場天線，這也是最早的小型天線，此后人們研究出了可采用高介電常數(shù)、開縫、曲流技術(shù)、加載短路探針、PBG結(jié)構(gòu)、分形等技術(shù)來實現(xiàn)天線的小型化?；诒倍穼?dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線的實現(xiàn)，主要措施有輻射單元結(jié)構(gòu)的耦合諧振調(diào)頻技術(shù)，饋入結(jié)構(gòu)包括饋電點的位置及饋隙調(diào)整、各臂交叉角度、嵌套環(huán)大小等。由于該天線的輻射單元為矩形輻射貼片，帶有調(diào)頻結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、節(jié)省材料、覆蓋均勻等優(yōu)點，而且能達到北斗及GPS等衛(wèi)星系統(tǒng)對終端天線的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種回波損耗低、增益高、干擾小且具有全向輻射特性的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線。
本發(fā)明設(shè)有基板，所述基板為雙面敷銅矩形基板，所述基板的一面刻蝕成輻射貼片，基板的另一面作為接地面；所述輻射貼片是通過內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)向外延伸到次外層的嵌套環(huán)，進而由次外層的嵌套環(huán)延伸到最外層的嵌套環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)組成嵌套復(fù)合環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度相等。所述基板可采用陶瓷介質(zhì)基板，基板的邊長可為25mm±0. 05mm，厚度可為3mm + 0. 05mmo所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度可為I 3mm，各臂之間的距離可為I 4mm ;內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為4 IOmm,次外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為8 18mm,最外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為16 28mm。該輻射貼片各輻射臂之間成90°折疊交叉，構(gòu)成閉合嵌套環(huán)，從而增加了天線的帶寬、減小了天線回波損耗、提高了天線增益等，進一步優(yōu)化了天線的性能。
所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)與次外層的嵌套環(huán)之間的距離可為2mm±0. 05mm，次外層的嵌套環(huán)與最外層的嵌套環(huán)之間的距離可為2. 5mm±0. 05mm ;所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的折疊臂長可為8mm±0. 05mm ;次外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度可為15mm±0. 05mm,最外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度可為22mm±0. 05mm。本發(fā)明采用雙面敷金屬良導(dǎo)體的矩形介質(zhì)基板，在基板的一面制備成覆有良導(dǎo)體的接地板，另一面制備成覆有特定形貌的輻射貼片。該輻射貼片是通過內(nèi)層最小正方型嵌套環(huán)向外延伸到次外層的嵌套環(huán)，進而由次外層的嵌套環(huán)延伸到最外層的嵌套環(huán)，這種類似分形的形式來構(gòu)成微帶天線的輻射貼片。本發(fā)明還采用同軸饋電的形式，饋電點是在最外層嵌套環(huán)交叉臂上，并且距中心點(我們把介質(zhì)基板的中心點定義為中心點)的水平距離可為9mnTl0mm，饋電點距中心點的垂直距離可為0mnT2mm，并且可在最外層嵌套環(huán)交叉臂上的垂直方向上下浮動lmnT3mm ;并可按需設(shè)置雙饋，實現(xiàn)密集多峰特性。本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整以上各參數(shù)的范圍，優(yōu)化后可保證頻點覆蓋北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的全部頻段要求，且S11可以達到-IOdB以下，增益可達到2. 5dB以上。與常規(guī)衛(wèi)星天線相比較，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點和顯著的技術(shù)效果本發(fā)明采用了折疊螺旋的嵌套環(huán)結(jié)構(gòu)，由于嵌套環(huán)具有不同的諧振長度，同時該天線具有類似分形的特點，也就使得該天線獲得了小型化，展寬了天線的帶寬，并且獲得了多頻特性，在滿足北斗衛(wèi)星和GPS等衛(wèi)星通信系統(tǒng)對終端天線的要求的同時，也有望兼容其他應(yīng)用頻段。由于采用了上述新型結(jié)構(gòu)，此天線具有全向輻射的特點，基本工作頻點為1.61GHz和2. 49GHz，工作頻段可鎖定在I. 605 I. 621GHz、2. 485 2. 5IGHz的多頻段，絕對帶寬優(yōu)于10MHz，相對帶寬優(yōu)于O. 6%。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)新、尺寸小、輻射特性好、頻點可控、增益高、回波損耗低、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、受環(huán)境影響小等優(yōu)點，可以滿足北斗及GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)對終端天線的要求。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端天線。利用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化，可按需求靈活方便鎖定于北斗系列衛(wèi)星定位系統(tǒng)，嵌套復(fù)合結(jié)構(gòu)多輻射臂，也有望兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)天線的不同頻段。本發(fā)明采用這種輻射貼片不但具有結(jié)構(gòu)新穎、尺寸小，而且具有增益高，回波損耗小，方向特性好等優(yōu)點。
圖I為本發(fā)明實施例的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線側(cè)面示意圖。圖3為本發(fā)明實施例的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線的回波損耗(S11)性能圖。在圖4中,橫坐標表示頻率Frequency (GHz),縱坐標表示回波損耗強度Thereturn loss of the antenna(dB)。圖4為本發(fā)明實施例的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線的極坐標E面方向圖。圖5為本發(fā)明實施例的基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線的極坐標H面方向圖。
具體實施例方式以下結(jié)合典型的三縫陣列實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。參考圖I和2，本發(fā)明實施例設(shè)有基板1，所述基板I為雙面敷銅矩形基板，所述基板I的一面刻蝕成輻射貼片2，基板I的另一面作為接地面3 ;所述輻射貼片是通過內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)向外延伸到次外層的嵌套環(huán)，進而由次外層的嵌套環(huán)延伸到最外層的嵌套環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)組成嵌套復(fù)合環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度相等，所述基板I可采用陶瓷介質(zhì)基板，基板的邊長可為25mm±0. 05mm，厚度可為3mm + 0. 05mmo所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度可為I 3mm，各臂之間的距離可為I 4mm ;內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為4 IOmm,次外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為8 18mm,最外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度可為16 28mm。該輻射貼片各輻射臂之間成90°折疊交叉，構(gòu)成閉合嵌套環(huán)，從而增加了天線的帶寬、減小了天線回波損耗、提高了天線增益等，進一步優(yōu)化了天線的性能。所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)與次外層的嵌套環(huán)之間的距離可為2mm±0. 05mm，次外層的嵌套環(huán)與最外層的嵌套環(huán)之間的距離可為2. 5mm±0. 05mm ;所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的折疊臂長可為8mm±0. 05mm ;次外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度可為15mm±0. 05mm,最外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度可為22mm±0. 05mm。參見圖3，從圖3可以看到，本實施例天線的工作頻段為1.605 1.621GHz、2. 485 2. 51GHz，工作頻段內(nèi)回波損耗都在-IOdB以下，在I. 6IGHz處的回波損耗最小約為-22. 57dB，在I. 2.492GHz處的回波損耗最小約為-23. 64dB。在整個通頻帶內(nèi)天線回波損耗(S11)性能都能滿足要求。本發(fā)明天線在工作頻點為1.61GHz的絕對帶寬優(yōu)于10MHz，工作頻點為2. 492GHz處的絕對帶寬優(yōu)于8MHz相對帶寬優(yōu)于O. 32%，且本款天線為全向輻射，故可以很好地應(yīng)用于北斗衛(wèi)星與GPS等衛(wèi)星系統(tǒng)中。參見圖4和圖5，圖4為E面方向圖，圖5為H面方向圖。從圖中我們可以看到采用該新型天線結(jié)構(gòu)有效抑制了天線的背瓣增益，提高了天線增益，使天線很好地滿足了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的要求。參見表1，表I給出了本發(fā)明的制造加工誤差對天線特性的影響情況。表I
工作頻段知/cffl θ/ιι ζα主, ,-cn /t/rcr'xj 絕對帶覽相對帶覽
影響因素1.557 1.665GHz 1.557 1.665GHz
2.485 2.51GHz 2 48S 2.51GHz (MHz) (%)
矩形介質(zhì)基板尺、j'"TTTT^
_引起波動不超過
邊長不受影響，仍可覆蓋優(yōu)- ·5 優(yōu)于0.32
2%,優(yōu)于一IOdB
25mm土 0.05mm
介質(zhì)板敷銅層厚度、
引起波動不超過
饋電孔的大小等誤保證頻段覆蓋優(yōu)于5 優(yōu)于0.31
1%,優(yōu)于一IOdB
差控制在2%以內(nèi)
介質(zhì)基板的相對介'
引起波動不超過
電常數(shù)、厚度等誤差保證頻段覆蓋優(yōu)于5 優(yōu)于0.31
1%,優(yōu)于一IOdB
控制在5%以內(nèi)注表中數(shù)據(jù)已有一定冗余，各數(shù)據(jù)之間有一定關(guān)聯(lián)性，給出的是均衡特性，可根據(jù)需求特殊設(shè)計。本發(fā)明的制造加工誤差在允許的范圍內(nèi)對天線各參數(shù)的影響不大。例如，當(dāng)折疊螺旋臂之間的距離、陶瓷介質(zhì)基板的尺寸、介質(zhì)板敷銅層厚度、饋電點位置等誤差控制在10%以內(nèi)，以及陶瓷介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)誤差控制在2%以內(nèi)時，天線的各項參數(shù)變化不大。本發(fā)明的實施例給出了一款頻段為I. 605 I. 621GHz,2. 485 2. 5IGHz的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的接收與發(fā)射天線。實施例中的高性能介質(zhì)基板材料可采用大于6的高介電常數(shù)陶瓷或改性環(huán)氧復(fù)合陶瓷作為基底，典型值可取相對介電常數(shù)為10的復(fù)合陶瓷，陶瓷介質(zhì)板的邊長為15 35mm,厚為I 4mm,可米用典型值為25mmX 25mmX 3mm尺寸的陶瓷介質(zhì)板。
權(quán)利要求
1.用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于設(shè)有基板，所述基板為雙面敷銅矩形基板，所述基板的一面刻蝕成輻射貼片，基板的另一面作為接地面；所述輻射貼片是通過內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)向外延伸到次外層的嵌套環(huán)，進而由次外層的嵌套環(huán)延伸到最外層的嵌套環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)組成嵌套復(fù)合環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度相等。
2.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述基板米用陶瓷介質(zhì)基板，基板的邊長為25mm±0. 05mm,厚度為3mm±0. 05mm。
3.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度為I 3mm。
4.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂之間的距離為I 4mm η
5.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的各折疊臂的長度為4 10mm，次外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度為8 18mm,最外層的嵌套環(huán)的各折疊臂的長度為16 28mm。
6.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)與次外層的嵌套環(huán)之間的距離為2mm±0. 05mm，次外層的嵌套環(huán)與最外層的嵌套環(huán)之間的距離為2. 5mm±0. 05mm。
7.如權(quán)利要求I所述的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，其特征在于所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)的折疊臂長為8mm±0. 05mm ;次外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度為15mm±0. 05mm,最外層的嵌套環(huán)的折疊臂的長度為22mm±0. 05mm。
全文摘要
用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線，涉及一種嵌套復(fù)合環(huán)天線。提供一種回波損耗低、增益高、干擾小且具有全向輻射特性的用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的嵌套復(fù)合環(huán)微帶多頻天線。設(shè)有基板，所述基板為雙面敷銅矩形基板，所述基板的一面刻蝕成輻射貼片，基板的另一面作為接地面；所述輻射貼片是通過內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)向外延伸到次外層的嵌套環(huán)，進而由次外層的嵌套環(huán)延伸到最外層的嵌套環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)組成嵌套復(fù)合環(huán)，所述內(nèi)層最小正方形嵌套環(huán)、次外層的嵌套環(huán)和最外層的嵌套環(huán)的各臂的寬度相等。
文檔編號H01Q1/38GK102800968SQ20121027725
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月6日
發(fā)明者周建華, 陳苗苗, 黃天贈, 游佰強, 周濤, 歐燕清, 陸智超 申請人:廈門大學(xué)