一種小型化三頻雙圓極化天線的制作方法

本發明屬于通訊及導航技術領域，具體涉及一種小型化三頻雙圓極化天線。

背景技術：

目前，可多頻段工作的天線被廣泛使用于如導航系統接收機、通信電臺的收發共用天線、跳頻工作的雷達和通信設備以及某些頻率捷變和極化捷變的天線中。圓極化天線更是被廣泛應用于衛星導航系統接收機等領域中。隨著衛星導航技術的迅猛發展和廣泛應用，人們迫切希望相應的天線具備寬波束、高增益、圓極化、多頻點工作、小型化、輕型化等一系列優點。現今，多頻圓極化天線由于主要采用多片法制作，也即利用諧振頻率不同的多個貼片疊放在同一基板上，通常將較大貼片放于下層而較小貼片疊于上層；同時，為避免連接各層貼片的饋電探針產生彼此工作干涉狀況，在每個供饋電探針插入的饋電孔周圍都需環繞密布一圈細小的金屬化過孔，從而將該圈金屬化過孔內圈處貼片處于隔離狀態下，進而杜絕各饋電探針之間的耦合影響。然而，實際制作時人們發現，由于每層帶有饋電探針的貼片都需要在饋電孔外相應布置一圈金屬化過孔，這使得不僅需要在當前層貼片處的饋電孔外圍預留出供金屬化過孔穿設的區域，同時最底層的貼片也必須具備足夠的區域用于容納由上層乃至上上層貼片處層疊貫穿而來的密密麻麻的金屬化過孔，這顯然極其不利于目前天線體積的小型化需求。

技術實現要素：

本發明的目的為克服上述現有技術的不足，提供一種結構合理而可靠的可應用于北斗手持設備中的小型化三頻雙圓極化天線，其可在保證良好的阻抗帶寬和軸比帶寬以及高增益性能的同時，亦可確保天線體積的小型化和輕型化需求。

為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：

一種小型化三頻雙圓極化天線，其特征在于：本天線包括由上而下且依次片狀層疊布置的上層微帶貼片、上層介質基板、中層微帶貼片、中層介質基板、下層微帶貼片、下層介質基板以及底層饋電網絡；其中，上層微帶貼片與上層介質基板構成工作于S頻點的上層微帶貼片天線，中層微帶貼片與中層介質基板構成工作于L頻點的中層微帶貼片天線，下層微帶貼片與下層介質基板構成工作于B3頻點的下層微帶貼片天線；在上層微帶貼片天線、中層微帶貼片天線、下層微帶天線以及底層饋電網絡的鉛垂中心線處同軸的設置有固定通孔，緊固螺栓穿過上述固定通孔形成螺栓緊固配合；

上層微帶貼片處布置第一饋電點，由第一饋電點處垂直上層微帶貼片所在平面而依次貫穿上層介質基板、中層微帶貼片、中層介質基板、下層微帶貼片、下層介質基板設置有第一饋電孔，第一饋電孔為金屬化過孔，第一饋電探針同軸布置于第一饋電孔內，第一饋電探針的兩端分別連接第一饋電點和位于底層饋電網絡處的輸出接口；本天線還包括貫穿中層微帶貼片天線和下層微帶貼片天線的第一短路金屬化過孔，第一短路金屬化過孔為三組，第一短路金屬化過孔與第一饋電孔的軸線均處于以固定通孔軸線為軸心的同一圓柱面上且第一短路金屬化過孔與第一饋電孔的軸線沿上述圓柱面周向均布；

中層微帶貼片處布置第二饋電點，由第二饋電點處垂直上層微帶貼片所在平面而依次貫穿下層微帶貼片、下層介質基板設置有第二饋電孔，第二饋電孔為金屬化過孔，第二饋電探針同軸布置于第二饋電孔內，第二饋電探針的兩端分別連接第二饋電點和位于底層饋電網絡處的輸出接口；本天線還包括貫穿下層微帶貼片天線的第二短路金屬化過孔，第二短路金屬化過孔為三組，第二短路金屬化過孔與第二饋電孔的軸線均處于以固定通孔軸線為軸心的同一圓柱面上且第二短路金屬化過孔與第二饋電孔的軸線沿上述圓柱面周向均布；

下層微帶貼片處布置第三饋電點，第三饋電探針穿過下層介質基板而連接第三饋電點和位于底層饋電網絡處的輸出接口；

所述第一饋電孔上的位于中層微帶貼片天線以及下層微帶貼片天線的一段孔路與第一饋電探針間設置有隔離彼此的第一介質套，所述第二饋電孔上的位于下層微帶貼片天線的一段孔路與第二饋電探針間設置有隔離彼此的第二介質套；第一短路金屬化過孔的孔徑等于第一介質套外徑；第二短路金屬化過孔孔徑等于第二介質套外徑。

所述上層微帶貼片、上層介質基板、中層微帶貼片、中層介質基板、下層微帶貼片、下層介質基板以及底層饋電網絡外形均為正方形片板狀構造；位于下層微帶貼片天線處的沿固定通孔軸線環繞分布的各相鄰第一短路金屬化過孔、第一饋電孔、第二短路金屬化過孔、第二饋電孔之間彼此間距均等。

所述上層微帶貼片兩相對角端均設置切角；所述中層微帶貼片的其中兩對邊處對稱布置凸設有矩形微帶枝節；所述下層微帶貼片的四個邊處均布置T型縫隙枝節。

所述底層饋電網絡包括由上至下依次層疊布置的金屬接地層、底層介質基板、環形微帶線電橋以及布置于環形微帶線電橋處的輸出接口；所述第一短路金屬化過孔、第一饋電孔、第二短路金屬化過孔、第二饋電孔以及固定通孔均貫穿上述金屬接地層以及底層介質基板；沿環形微帶線電橋的四個直邊環繞密布有一圈第三金屬化過孔，所述第三金屬化過孔的頂端連接金屬接地層。

所述上層介質基板的介電常數為10.2，長與寬尺寸為22mm×22mm，板體厚度為2mm；中層介質基板的介電常數為10.2，長與寬尺寸為31mm×31mm，板體厚度為4mm；下層介質基板的介電常數為16，長與寬尺寸為34mm×34mm，板體厚度為6mm；底層介質基板的介電常數為9，長與寬尺寸為為35mm×35mm，板體厚度為0.508mm；所述各饋電探針的直徑為0.9mm，第一短路金屬化過孔和第二短路金屬化過孔的孔徑為3mm，第一饋電探針距固定通孔軸線間距為3.3mm，第二饋電探針距固定通孔軸線間距為3.5mm～4.3mm，第三饋電探針距固定通孔軸線間距為6mm。

本發明的有益效果在于：

1)、本發明通過由上到下層疊連接的上層微帶貼片天線、中層微帶貼片天線、下層微帶貼片天線和底層饋電網絡來組成天線模塊，并以中心處布置的固定螺栓確保了各者間的層疊緊固構造。實際操作時，上層微帶貼片天線對應于S頻點，中層微帶貼片天線對應于L頻點，而下層微帶貼片天線對應于B3頻點，底層饋電網絡則提供B3頻點圓極化所需的饋電電路,從而實現了北斗二代B3頻點和北斗一代L頻點、S頻點的信號接收功能。本發明可考采用高介電常數、低介質損耗的陶瓷材料基板來初步實現小型化；而與此同時，利用獨特的沿固定通孔軸線90°周向分布的三道第一短路金屬化過孔和三道第二短路金屬化過孔，從而起到消除相應的第一饋電孔和第二饋電孔內各饋電探針的耦合影響的功能。相對傳統必須在每個饋電孔周圍均周向密布整整一圈金屬化過孔的繁復耦合屏蔽方式而言，本發明僅采用三組短路金屬化過孔，即可保證相應饋電探針的可靠工作，不僅使得設備的工作可靠性得到了有效保證，同時由于金屬化過孔數目的減少，使得更少面積的微帶貼片即可保證各金屬化過孔的鉆設，這顯然利于目前天線的小型化和輕型化需求。

綜上，本發明收發端口隔離度高、各頻段的圓極化增益性能穩定；其可在保證良好的阻抗帶寬和軸比帶寬以及高增益性能的同時，亦可確保天線體積的小型化和輕型化需求，可用于北斗手持設備衛星信號的接收和發射。

2)、實際操作時，在位于中層微帶貼片天線和下層微帶貼片天線的第一饋電孔和位于下層微帶貼片天線處的第二饋電孔內都會布置介質套來填充相應饋電孔與相應饋電探針之間的間隙；此時，可看作是對應的短路金屬化過孔的孔徑等于相應介質套的外徑。而位于下層微帶貼片天線處的沿固定通孔軸線環繞分布的各相鄰第一短路金屬化過孔、第一饋電孔、第二短路金屬化過孔、第二饋電孔之間彼此間距均等，這反映在下層介質基板處時，可看出在該介質基板板面處呈現均勻分布的八個圓孔結構。上述間距均等的各孔路，最大程度的降低了各者間的工作干擾性，這對提升結構的工作可靠性和穩定性能起到有利影響。

3)、上層微帶貼片為正方形結構形式，沿其對角線方向切角，并可考慮在與對角線夾角45°的直線位置設置饋電點，從而實現右旋圓極化工作。中層微帶貼片為正方形結構形式，在其對稱邊緣加載短的微帶枝節枝節，并在對角線上設置饋電點，實現左旋圓極化工作。底層饋電網絡的介質基板采用細密的第三金屬化過孔，并使該金屬化過孔與介質基板的上下金屬底相連，起到改善網絡駐波及幅相分布，從而實現了饋電網絡和天線單元的良好隔離目的。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為圖1結構沿上層微帶貼片的片體水平剖分后的俯視圖；

圖3為圖1結構沿中層微帶貼片的片體水平剖分后的俯視圖；

圖4為圖1結構沿下層微帶貼片的片體水平剖分后的俯視圖；

圖5為圖1結構的仰視圖。

附圖中各標號與本發明的各部件名稱對應關系如下：

a-固定通孔

11-上層微帶貼片 12-上層介質基板

10a-第一饋電孔 10b-第一饋電探針 10c-第一短路金屬化過孔

21-中層微帶貼片 22-中層介質基板 23-矩形微帶枝節

20a-第二饋電孔 20b-第二饋電探針 20c-第二短路金屬化過孔

31-下層微帶貼片 32-下層介質基板 33-T型縫隙枝節

30a-第三饋電探針

41-金屬接地層 42-底層介質基板 43-環形微帶線電橋

40a-第三金屬化過孔 50-第一介質套 60-第二介質套

具體實施方式

為便于理解，此處結合附圖對本發明的具體實施結構及工作流程作以下描述：

本發明的具體結構，如圖1-5所示，其包括層疊貼片天線單元、底層饋電網絡、多組饋電探針、多組金屬化過孔和一根用于固定上述天線單元及饋電網絡的固定螺釘。層疊貼片天線單元包括由上到下依次疊加的上層微帶貼片天線、中層微帶貼片天線和下層微帶貼片天線，且由上到下輻射貼片面積逐步增大，介質基板逐步增厚。上層微帶貼片天線包括上層微帶貼片11和上層介質基板21，上層微帶貼片11是正方形片狀結構并切對角。中層微帶貼片天線包括中層微帶貼片21和中層介質基板22，中層微帶貼片21是正方形片狀結構并在其中一個對邊加載矩形微帶枝節23。下層微帶貼片天線包括下層微帶貼片31和下層介質基板32，下層微帶貼片31是正方形片狀結構并在四邊處加載T型縫隙枝節33。底層饋電網絡包括底層介質基板42、附屬在底層介質基板42上表面處的金屬接地層41、在底層介質基板42下表面處的環形微帶線電橋43以及輸出接口。環形微帶線電橋43由50Ω分支微帶線、低阻微帶線、高阻微帶線和50歐姆貼片電阻組成。在環形微帶線電橋43周圍布置了一圈細密的第三金屬化過孔40a，并使各個第三金屬化過孔40a鉛垂向上的與金屬接地層41連接，從而提高天線單元和饋電網絡間的隔離屏蔽效果。饋電探針包括第一饋電探針10b、第二饋電探針20b和第三饋電探針30a。第一饋電探針10b頂端與上層微帶貼片11的饋電點相連，且依次穿過上層介質基板12、中層微帶貼片天線、下層微帶貼片天線和底層饋電網絡，并與底層饋電網絡的輸出接口相連；此外，第一饋電探針10b與中層微帶貼片天線、下層微帶貼片天線以及底層饋電網絡的金屬接地層41和底層介質基板42不接觸。第二饋電探針20b頂端與中層微帶貼片21的饋電點相連，且依次穿過中層介質基板22、下層微帶貼片天線和底層饋電網絡，并與底層饋電網絡的輸出接口相連；此外，第二饋電探針20b與下層微帶貼片天線以及底層饋電網絡的金屬接地層41和底層介質基板42不接觸。第三饋電探針30a實際設置時為兩根，其頂端與下層微帶貼片31的饋電點相連，且依次穿過下層介質基板32和底層饋電網絡并與相應輸出接口相連。

作為本發明的重點，如圖2-5所示的，在原有的可供饋電探針穿設的饋電孔外，本發明還布置有短路金屬化過孔。具體而言，對于供第一饋電探針10b穿設的第一饋電孔10a，在中層微帶貼片天線和下層微帶貼片天線上同軸貫穿的設置三組第一短路金屬化過孔10c，且該三組第一短路金屬化過孔10c與第一饋電孔10a共同位于以固定通孔a為軸線的同一圓柱面上，同時三組短路金屬化過孔與第一饋電孔10a的位于中層微帶貼片天線和下層微帶貼片天線的孔道彼此呈現90度夾角分布，最終保證各者間距的一致性。同理，對于供第二饋電探針20b穿設的第二饋電孔20a，同樣在下層微帶貼片天線上同軸貫穿的設置三組第二短路金屬化過孔20c，且該三組短路金屬化過孔與第二饋電孔20a共同位于以固定通孔a為軸線的同一圓柱面上，同時該三組第二短路金屬化過孔20c與第二饋電孔20a的位于下層微帶貼片天線處孔道呈現周向90度夾角分布。

所述的固定螺釘在天線單元和底層饋電網絡的鉛垂中心線位置，其功能在于依次穿過各層微帶天線和底層饋電網絡，從而實現各者間的緊固目的。

本發明的具體工作原理如下：

本發明采用由上到下層疊連接的上層微帶貼片天線、中層微帶貼片天線、下層微帶貼片天線和底層饋電網絡組成天線模塊，采用高介電常數、低介質損耗的陶瓷材料基板實現小型化，并利用多層微帶貼片天線中心重合的疊加技術實現多頻工作，從而有助于提高各輸出端口的隔離度，實現了北斗二代B3頻點和北斗一代L頻點、S頻點的信號接收。

上層微帶貼片天線工作于S頻點，采用單點饋電方式。通過正方形貼片在對角線上切三角形的形式實現右旋圓極化，將信號通過第一饋電探針10b傳輸到底層饋電網絡的輸出接進行接收。

中層微帶貼片天線工作于L頻點，采用在對角線上單點饋電。在正方形貼片的兩對邊處加載短枝節實現左旋圓極化，將信號由底層饋電網絡的接口通過第二饋電探針20b發射出去。

下層微帶貼片天線工作于B3頻點，下層微帶貼片天線的下層微帶貼片31的四個邊處加載T型縫隙枝節，同時底層介質基板42處布置第一短路金屬化過孔10c和第二短路金屬化過孔20c，以用于消除饋電探針的耦合影響，有利于天線的進一步小型化。底層饋電環形電橋43提供B3頻點實現圓極化所需的幅度和相位，并通過第三饋電探針30a連接到下層微帶貼片31的饋電點處。

本發明可工作于北斗二代B3頻點和北斗一代L頻點、S頻點。實際應用時，優選上層介質基板21的介電常數為10.2，長與寬尺寸為22mm×22mm，板體厚度為2mm；中層介質基板22的介電常數為10.2，長與寬尺寸為31mm×31mm，板體厚度為4mm；下層介質基板32的介電常數為16，長與寬尺寸為34mm×34mm，板體厚度為6mm；底層介質基板42的介電常數為9，長與寬尺寸為為35mm×35mm，板體厚度為0.508mm。所采用的饋電探針的直徑為0.9mm，第一短路金屬化過孔10c和第二短路金屬化過孔20c的孔徑為3mm，第一饋電探針10b距固定通孔a軸線間距為3.3mm，第二饋電探針20b距固定通孔a軸線間距為3.5mm～4.3mm，第三饋電探針30a距固定通孔a軸線間距為6mm。第一饋電點與固定通孔a軸線的連線同第一短路金屬化過孔10c與固定通孔a軸線的連線彼此垂直，同理，第二饋電點與固定通孔a軸線的連線同第二短路金屬化過孔20c與固定通孔a軸線的連線彼此垂直。在平行固定通孔a軸線的方向上作俯視，優選第二饋電孔20a與固定通孔a軸線的連線同第一饋電孔10a與固定通孔a軸線的連線呈現45°夾角。