城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線的制作方法
【專利摘要】城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，涉及一種微帶天線。設有上下層基板，在上下層基板上表面分別敷有金屬層形成正方形貼片；上層正方形貼片采用角部對稱三角形切角結構，在上層正方形貼片上設有貼片幾何中心對稱的城墻狀縫隙對，形成城墻狀縫隙陣列，在帶有電磁耦合的城墻狀縫隙之間設有耦合腔，在兩組正交的城墻陣列銜接處，設有4個45度角位置的調控耦合腔；下層正方形貼片采用角部對稱三角形切角結構，在下層正方形貼片的四邊中部各設有一個矩形凹槽形成類分形結構，在下層正方形貼片的四邊外圍設有貼片中心對稱的引向臂；下層基板下表面敷有良導體層作為接地板，在下層基板下表面上設有3個饋電接頭。
【專利說明】城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種微帶天線，尤其是涉及一種兼容GPS及北斗衛星導航系統工作頻 段的城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線。
【背景技術】
[0002] 北斗衛星導航系統（BDS)是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航 系統，致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航、授時服務，并能向有更高要求的授權用 戶提供進一步服務，軍用與民用目的兼具。北斗衛星導航系統、美國全球定位系統（GPS)、俄 羅斯格洛納斯系統（GLONASS)和歐盟伽利略定位系統（GALILEO)為聯合國衛星導航委員會 認定的全球衛星導航系統四大核心供應商 [1]。
[0003] 天線設計及制造技術是衛星的核心關鍵技術之一，天線的各項特性及形態大小極 大程度地影響了衛星的工作性能及應用領域，隨著衛星技術的飛速發展，人們在對天線的 寬帶化、小型化、抗破壞性等要求的基礎上，進一步對增益軸比及多網絡兼容性等方面提出 了更高的要求。天線在衛星導航系統及其終端應用中具有舉足輕重的地位，對其進行深入 的研究具有重要的參考價值和實用意義。
[0004] 傳統微帶天線因具有剖面低、體積小、重量輕、可共形、易集成、饋電方式靈活、便 于獲得線極化和圓極化等優點，在移動通信、衛星通訊、導彈遙測、多普勒雷達等許多領域 獲得了廣泛的應用。其中，貼片天線的形狀是影響天線性能的重要因素之一，它直接影響著 天線的帶寬、頻率和增益等指標。對于天線的小型化，Hately M C和Kabbary F M, Stewart B G發明了交叉場天線，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、開 縫[2]、曲流技術 [3]、加載短路探針[4]、PBG結構等技術來實現天線的小型化。在微帶貼片天 線的設計過程中，由于多項技術指標是互相聯系、互相影響的，因此要對天線的性能指標進 行綜合考慮，從而選擇符合實際需要的貼片形狀。
[0005] 引向天線是由兩位日本大學教授八木秀次和宇田新太郎在上世紀20年代發明 的，故又稱八木天線、八木-宇田天線或八木陣列天線 [5]。八木天線是一種端射多單元天線 陣列，最少包括一個單獨的激勵單元和一個單獨的無源單元。鑒于引向天線與微帶天線的 突出優點，為了將二者相互有機的結合，國內外專家學者都做了很多分析及實踐研究工作
[6 ?9] O
[0006] 參考文獻：
[0007] [l]Hongwei S，Zhigang Lj Feng P. Development of satellite navigation in China [C]//Frequency Control Symposium, 2007Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. IEEE International. IEEE, 2007:297-300.
[0008] [2] Nguyen H T. Microstrip patch miniaturization by slots loading[C]//2005IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 2005, 1:215-218.
[0009] [3] Luk K M，Lee K F. Small dual patch antenna [J]. Electronics Letters, 1999, 35 (10) : 762-764.
[0010] [4]Waterhouse R BjTargonski S DjKokotoff D M. Design and performance of small printed antennas[J]. Antennas and Propagation, IEEE Transactions on，1998,46(11) :1629-1633.
[0011] [5]DeJean G R，Thai T T，Nikolaou S，et al. Design and analysis of microstrip Bi-Yagi and Quad-Yagi antenna arrays for WLAN applications[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters，IEEE，2007,6:244-248.
[0012] [6]Kraus John D，Marhefka Ronald J. Antennas for all applications[M]. Upper Saddle RiverjNJiMcGraw Hill, 2002.
[0013] [7] Song H J，Bialkowski M E，Kabacik P. Parameter study of a broadband uniplanar quasi-Yagi antenna [C]//Microwaves，Radar and Wireless Communications. 2000. MIK0N-2000. 13th International Conference on. IEEE，2000, 1:166-169.
[0014] [8] Padhi S Kj Bialkowski M E. Parametric study of a microstrip Yagi antenna[C]//Microwave Conference, 2000Asia-Pacific. IEEE, 2000:715-718.
[0015] [9]Yihan Dj Xiaoying Z. A novel microstrip Yagi antenna with tunable radiation pattern and central frequency[C]//Intelligent Radio for Future Personal Terminals(IMWS-IRFPT)，2011IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on. IEEE, 2011:1-2.
【發明內容】
[0016] 本發明的目的在于提供一種兼容GPS及北斗衛星導航系統工作頻段的城墻狀孔 縫多級耦合平面引向多應用疊層天線。
[0017] 本發明設有下層基板和上層基板，在上層基板和下層基板的上表面分別敷有金屬 層形成正方形貼片；上層正方形貼片采用角部對稱三角形切角結構，在上層正方形貼片上 設有貼片幾何中心對稱的城墻狀縫隙對，形成城墻狀縫隙陣列，在帶有電磁耦合的城墻狀 縫隙之間設有耦合腔，在兩組正交的城墻陣列銜接處，設有4個45度角位置的調控耦合腔； 下層正方形貼片采用角部對稱三角形切角結構，在下層正方形貼片的四邊中部各設有一個 矩形凹槽形成類分形結構，在下層正方形貼片的四邊外圍設有貼片中心對稱的引向臂；下 層基板下表面敷有良導體層作為接地板，在下層基板下表面上設有3個饋電接頭，3個饋電 接頭分別與3個饋電點連接。
[0018] 所述上層基板和下層基板均可采用相對介電常數為2?12的介質基板，相對介電 常數優選4. 4 ;上層基板和下層基板的厚度可為2?4mm，優選3mm ;所述上層基板的邊長可 為30?36mm，優選34mm ;下層基板的邊長可為70?80mm，優選72mm。
[0019] 所述上層正方形貼片的邊長al可為24?28mm，優選26mm。采用角部對稱三角形 切角結構的角部切角邊長si可為3?7mm，優選5mm。
[0020] 所述外城墻狀縫隙的長邊LI可為1?6mm，優選2. 55mm，短邊Wl可為1?4mm，優 選I. 45mm，縫隙寬度bl可為0. 3?0. 6mm，優選0. 55mm。內城墻狀縫隙的長邊W2可為1? 3_，優選2. 30_，短邊L2可為1?2_，優選I. 55_。縫隙寬度bl可為0. 3?0. 6_，縫 隙間耦合腔的半徑可為〇· 2?0· 6mm，優選0· 4mm，耦合腔之間距離dl可為3?7mm，優選 4. 90mm，外城墻狀縫隙與上層正方形貼片的邊的距離d3可為1?6mm，優選2. 677mm，內城 墻狀縫隙與上層正方形貼片的邊的距離d4可為3?8mm，優選5. 307mm。
[0021] 所述調控耦合腔的半徑可為0. 2?0. 6mm，優選0. 4mm，調控耦合腔之間的距離d2 可為1?3mm,優選I. 846mm。
[0022] 上層輻射貼片北斗系統終端天線S頻段饋電點的半徑為0. 60mm±0. 01mm，短路釘 半徑為 0. 60_±0. Olmnin
[0023] 下層正方形貼片的邊長a2可為38?42mm，優選40. 5mm。采用角部對稱三角形切 角結構來產生圓極化，角部切角邊長s2可為3?9_，優選6_。在下層正方形貼片四面中 點設有矩形凹槽，形成類分形結構，所述矩形凹槽的長邊W4可為6?10mm，優選7. 75mm，短 邊L4可為1?3mm，優選2mm。外圍關于貼片中心對稱的引向臂的邊長長邊L5可為37? 42mm,優選39mm,短邊W5可為4?8mm,優選6mm。
[0024] 下層基板上表面外圍引向臂城墻狀縫隙的長邊W3可為1?6mm，優選3. 2mm，短邊 L3可為1?4mm，優選I. 8mm，縫隙寬度b2可為0· 3?I. Omm，優選0· 7mm。引向臂與正方形 貼片的距離d5可為3?7mm，優選4. 75mm。
[0025] 下層輻射貼片北斗系統終端天線L頻段饋電點的半徑可為0. 60mm±0. 01mm，GPS 系統終端天線L1頻段饋電點的半徑可為0. 60mm±0. 01mm。
[0026] 接地板為正方形，接地板邊長可為70?80mm ;優選72mm。接地板為厚度大于趨膚 深度的銀層或銅層。
[0027] 本發明在上下基板的上表面分別敷有金屬層形成正方形貼片；采用角部對稱三角 形切角結構，在其上引入關于貼片幾何中心對稱的城墻狀縫隙對，形成城墻狀縫隙陣列，在 城墻狀縫隙對的兩條縫隙之間設置了耦合腔，并且在兩組正交的城墻陣列銜接處，4個45 度角位置引入了多個調控耦合腔；而下層正方形貼片也采用角部對稱三角形切角結構，并 且在其四邊中部各引入一個矩形凹槽形成類分形結構，外圍引入關于貼片中心對稱的改進 型引向臂。在上層正方形貼片中，引入城墻狀縫隙結構，可以有效地延長電流路徑，有助于 實現天線的小型化；在帶有電磁耦合的城墻狀縫隙之間設置耦合腔，可以調控城墻狀縫隙 本身周期性耦合，也可以控制不同城墻狀縫隙之間的電磁耦合；在兩組正交的城墻陣列銜 接處的45度角位置引入的多個調控耦合腔，可以調控輻射場的垂直與水平分量，調節天線 軸比和極化；短路釘的引入不僅有助于實現天線小型化，而且能夠改善天線的阻抗匹配。在 下層貼片中，角部對稱三角結構可以擴寬頻帶寬度和產生圓極化。在關于貼片中心對稱的 引向臂中引入城墻狀縫隙結構，可以延長有效電長度，改善天線的輻射特性和優化天線的 增益。采用疊層耦合三饋電結構，實現了三頻特性，而且具有較高的三頻隔離度。本發明涉 及的天線可滿足北斗天線尺寸小、帶寬較大、回波損耗較低、增益高、接收和發射信號頻道 干擾小的要求，并且兼容了 GPS系統的L1頻段。
[0028] 本發明的設計頻段可為三頻段，分別為1.55?1.605GHz，1.57?1.66GHz與 2. 45?2. 53GHz，覆蓋了 GPS系統L1工作頻段和北斗導航系統L和S兩個工作頻段。
[0029] 與現有衛星天線相比較，本發明具有以下突出的技術效果：
[0030] 采用疊層耦合三饋電結構，實現了北斗衛星導航系統雙頻段以及GPS系統L1頻段 共三個頻段的兼容特性，而且具有較高的三頻隔離度。由于上層正方形貼片引入城墻狀縫 隙結構和下層貼片采用了類分形結構，使天線的尺寸得到一定程度的縮小。此外，上層正方 形貼片引入多個調控耦合腔，控制了輻射場的垂直與水平分量，可調節天線軸比和極化。下 層貼片引入改進型引向臂，改善了天線的輻射特性和優化了天線的增益，可達到北斗衛星 與GPS導航等衛星通信系統對天線的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發明實施例的上層正方形貼片結構示意圖。
[0032] 圖2為本發明實施例的下層正方形貼片結構示意圖。
[0033] 圖3為本發明實施例的接地板結構示意圖。
[0034] 圖4為本發明實施例的側面結構示意圖。
[0035] 圖5為本發明實施例在1.572GHz時的回波損耗性能圖。圖5中的橫坐標表示頻 率 Frequency (GHz)，縱坐標表不回波損耗強度 The return loss of the Antenna (dB);坐 標為直角坐標。
[0036] 圖6為本發明實施例在I. 616GHz時的回波損耗性能圖。圖6中的橫坐標表示頻 率 Frequency (GHz)，縱坐標表不回波損耗強度 The return loss of the Antenna (dB);坐 標為直角坐標。
[0037] 圖7為本發明實施例在2. 492GHz時的回波損耗性能圖。圖7中的橫坐標表示頻 率 Frequency (GHz)，縱坐標表不回波損耗強度 The return loss of the Antenna (dB);坐 標為直角坐標。
[0038] 圖8為本發明實施例在GPS導航系統L1頻段的E面方向圖。圖8中的坐標為極 坐標。
[0039] 圖9為本發明實施例在GPS導航系統L1頻段的H面方向圖。圖9中的坐標為極 坐標。
[0040] 圖10為本發明實施例在北斗導航系統L頻段的E面方向圖。圖10中的坐標為極 坐標。
[0041] 圖11為本發明實施例在北斗導航系統L頻段的H面方向圖。圖11中的坐標為極 坐標。
[0042] 圖12為本發明實施例在北斗導航系統S頻段的E面方向圖。圖12中的坐標為極 坐標。
[0043] 圖13為本發明實施例在北斗導航系統S頻段的H面方向圖。圖13中的坐標為極 坐標。
【具體實施方式】
[0044] 以下結合實施例和附圖對本發明做進一步說明。
[0045] 參照圖1?4,圖中標記16和17為介電常數為4. 4的正方形介質基板，標記16 基板邊長為34. 0mm±0. 1mm，標記17基板邊長為72. 0mm±0. 1mm。在標記16的上表面和 標記17的上下兩面均敷有銅層。標記16的上表面采用了城墻狀縫隙陣列加載技術，其 基本形狀是正方形。正方形貼片（圖1標記1)采用角部對稱三角形切角結構（圖1標 記2)，對應的三角形直角邊長si為5. 0mm±0. 1mm。在主輻射貼片1上加載關于貼片幾 何中心對稱的城墻狀縫隙陣列（圖1標記3和4)，在每對城墻狀縫隙中，外城墻狀縫隙的 長邊Ll為2. 55_±0. 1_，短邊Wl為I. 45_±0. 1_，距離正方形貼片1邊的距離d3為 2. 677_±0· 1_。內城墻狀縫隙的長邊W2為2. 30_±0· 1_，短邊L2為L 55_±0· 1_， 距離正方形貼片1邊的距離d4為5. 307mm±0. 1mm，縫隙寬度bl為0. 55mm±0. 1mm。在縫 隙之間設置了耦合腔（圖1標記5)，耦合腔半徑為0.4mm±0. 1mm，耦合腔之間距離dl為 4. 90mm±0. 1mm。在兩組正交的城墻陣列銜接處45度角位置引入多個調控耦合腔（圖1 標記6)，調控稱合腔半徑為0· 4mm±0. 1mm，腔間距離d2為I. 846mm±0. 1mm。在標記17的 上表面有邊長為40. 5mm±0. Imm的正方形貼片（圖2中標記9)，采用角部對稱三角形切 角結構（圖2中標記10)，對應的三角形直角邊長s2為6. 0mm±0. 1mm。貼片四邊中部引 入矩形凹槽（圖2標記11)形成類分形結構，該凹槽長邊W4為7. 75mm±0. 1mm，短邊L4為 2. 0mm±0. 1mm。貼片外圍引入的關于貼片中心對稱的改進型引向臂（圖2標記12)的邊 長L5, W5分別為39. Ctam±0. 1謹,6. Ctam±0. 1謹，與貼片之間距離d5為4. 75mm±0. 1謹。改 進型引向臂中采用城墻狀縫隙結構（圖2標記13)，長邊W3為3. 2mm±0. 1臟，短邊L3為 1. 8謹±0. 1謹，縫隙寬度b2為0· 7謹±0. Immn
[0046] 圖中標記7、14和15為同軸饋電，半徑都為0.6mm±0. Imm的空心圓柱，其中7穿 過9、16、17對貼片1進行饋電，高度為6. 0mm±0. 3mm ;而14、15是穿過17對貼片9進行饋 電，高度為3. 0mm±0. 2mm，圖中標記8為穿過上層基板16的短路釘。本發明中采用同軸線 偏饋的形式饋電，這種饋電形式使得天線的S11更低，增益提高，其中同軸線的內芯通過饋 孔與貼片連接，而同軸線的外芯與介質板下表面的反射板相連。
[0047] 參見圖5?7,從中可以看出，本發明天線的工作頻段為：GPS導航系統L1頻段 I. 55GHz?I. 605GHz，北斗導航系統L頻段I. 57GHz?I. 66GHz以及北斗導航系統S頻 段2. 45GHz?2. 53GHz。在這三個工作頻段內天線的回波損耗（S11)都在-IOdB以下，在 GPS系統Ll波段內的最小回波損耗為-25. 68dB，在北斗導航系統L頻段內的最小回波損耗 為-27. 869dB，在北斗導航系統S頻段內的最小回波損耗為-25. 69dB。本發明天線在GPS 系統L1頻段的絕對帶寬與相對帶寬分別為：55MHz與3. 49% ;在北斗導航系統L頻段的絕 對帶寬與相對帶寬分別為：90MHz與5. 57%;在北斗導航系統S頻段的絕對帶寬與相對帶寬 分別為：80MHz與3. 21 %，總性能優于一般的貼片微帶天線，并且可以很好地兼容GPS導航 系統和北斗導航系統的工作頻段。
[0048] 參見圖8?13,其中圖8和圖9為GPS系統L1頻段工作頻點I. 572GHz的E面方 向圖和H面方向圖，圖10和圖11為北斗導航系統L頻段工作頻點1.616GHz的E面方向圖 和H面方向圖，圖12和圖13為北斗導航系統S頻段工作頻點2. 492GHz的E面方向圖和H 面方向圖。結果表明，本發明中的貼片微帶天線具有定向輻射特性，可以滿足衛星通信系統 的要求。
[0049] 參見表1，表1給出了本發明的制造加工誤差對天線特性的影響情況。
[0050] 表 1
[0051]
【權利要求】
1. 城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于設有下層基板和上層 基板，在上層基板和下層基板的上表面分別敷有金屬層形成正方形貼片；上層正方形貼片 采用角部對稱三角形切角結構，在上層正方形貼片上設有貼片幾何中心對稱的城墻狀縫隙 對，形成城墻狀縫隙陣列，在帶有電磁耦合的城墻狀縫隙之間設有耦合腔，在兩組正交的城 墻陣列銜接處，設有4個45度角位置的調控耦合腔；下層正方形貼片采用角部對稱三角形 切角結構，在下層正方形貼片的四邊中部各設有一個矩形凹槽形成類分形結構，在下層正 方形貼片的四邊外圍設有貼片中心對稱的引向臂；下層基板下表面敷有良導體層作為接地 板，在下層基板下表面上設有3個饋電接頭，3個饋電接頭分別與3個饋電點連接。
2. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于所述 上層基板和下層基板均采用相對介電常數為2?12的介質基板，相對介電常數優選4. 4。
3. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于上層 基板和下層基板的厚度為2?4mm，優選3mm ;所述上層基板的邊長為30?36mm，優選34mm ; 下層基板的邊長為70?80mm，優選72mm。
4. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于所述 上層正方形貼片的邊長al為24?28mm，優選26mm ;采用角部對稱三角形切角結構的角部 切角邊長si可為3?7mm，優選5mm。
5. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于所述 外城墻狀縫隙的長邊Ll為1?6mm，優選2. 55mm，短邊Wl為1?4mm，優選I. 45mm，縫隙寬 度bl為0· 3?0· 6mm，優選0· 55mm ;內城墻狀縫隙的長邊W2可為1?3mm，優選2. 30mm，短 邊L2可為1?2mm，優選I. 55mm ;縫隙寬度bl可為0· 3?0· 6mm，縫隙間耦合腔的半徑可 為0· 2?0· 6mm，優選0· 4mm，稱合腔之間距離dl可為3?7mm，優選4. 90mm，夕卜城墻狀縫隙 與上層正方形貼片的邊的距離d3可為1?6mm，優選2. 677mm，內城墻狀縫隙與上層正方形 貼片的邊的距離d4可為3?8mm，優選5. 307mm。
6. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于所述 調控稱合腔的半徑為0. 2?0. 6mm，優選0. 4mm，調控稱合腔之間的距離d2為1?3mm，優選 L 846mm〇
7. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于 上層輻射貼片北斗系統終端天線S頻段饋電點的半徑為0· 60mm±0. 01mm，短路釘半徑為 0. 60mm±0. Olmnin
8. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于下層 正方形貼片的邊長a2為38?42mm，優選40. 5mm ;采用角部對稱三角形切角結構來產生圓 極化，角部切角邊長s2可為3?9mm，優選6mm ;在下層正方形貼片四面中點設有矩形凹槽， 形成類分形結構，所述矩形凹槽的長邊W4可為6?10mm，優選7. 75mm，短邊L4可為1? 3mm，優選2mm ;外圍關于貼片中心對稱的引向臂的邊長長邊L5可為37?42mm，優選39mm, 短邊W5可為4?8mm,優選6mm。
9. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于下層 基板上表面外圍引向臂城墻狀縫隙的長邊W3為1?6mm，優選3. 2mm，短邊L3為1?4mm, 優選I. 8mm，縫隙寬度b2為0. 3?I. 0mm，優選0. 7mm。
10. 如權利要求1所述城墻狀孔縫多級耦合平面引向多應用疊層天線，其特征在于 引向臂與正方形貼片的距離d5為3?7mm，優選4. 75mm ;下層輻射貼片北斗系統終端天 線L頻段饋電點的半徑為0· 60mm±0. 01mm，GPS系統終端天線L1頻段饋電點的半徑可為 0. 60mm±0. Olmm ;接地板為正方形，接地板邊長可為70?80mm ;優選72mm ;接地板為厚度 大于趨膚深度的銀層或銅層。
【文檔編號】H01Q1/38GK104319474SQ201410583991
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月27日 優先權日:2014年10月27日
【發明者】周建華, 葉嘯海, 陳楠, 游佰強, 李 杰, 徐偉明, 陳婧薇 申請人:廈門大學