用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线

摘要

用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，涉及一种嵌套复合环天线。提供一种回波损耗低、增益高、干扰小且具有全向辐射特性的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线。设有基板，所述基板为双面敷铜矩形基板，所述基板的一面刻蚀成辐射贴片，基板的另一面作为接地面；所述辐射贴片是通过内层最小正方形嵌套环向外延伸到次外层的嵌套环，进而由次外层的嵌套环延伸到最外层的嵌套环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环组成嵌套复合环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度相等。

权利要求

1.用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于设有基板，所述基板为双面敷铜矩形基板，所述基板的一面刻蚀成辐射贴片，基板的另一面作为接地面；所述辐射贴片是通过内层最小正方形嵌套环向外延伸到次外层的嵌套环，进而由次外层的嵌套环延伸到最外层的嵌套环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环组成嵌套复合环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度相等。

2.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述基板采用陶瓷介质基板，基板的边长为25mm±0.05mm，厚度为3mm±0.05mm。

3.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度为1～3mm。

4.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂之间的距离为1～

4mm。

5.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述内层最小正方形嵌套环的各折叠臂的长度为4～10mm，次外层的嵌套环的各折叠臂的长度为8～18mm，最外层的嵌套环的各折叠臂的长度为16～28mm。

6.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述内层最小正方形嵌套环与次外层的嵌套环之间的距离为2mm±0.05mm，次外层的嵌套环与最外层的嵌套环之间的距离为2.5mm±0.05mm。

7.如权利要求1所述的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线，其特征在于所述内层最小正方形嵌套环的折叠臂长为8mm±0.05mm；次外层的嵌套环的折叠臂的长度为

15mm±0.05mm，最外层的嵌套环的折叠臂的长度为22mm±0.05mm。

说明书

用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线

技术领域

[0001] 本发明涉及一种嵌套复合环天线，尤其涉及一种用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线。

背景技术

[0002] 自2000年以来，中国已成功发射了4颗北斗一号导航定位卫星和8颗北斗二号导航定位卫星，已建成北斗一号导航试验系统并正在建设覆盖全球的北斗二号卫星定位系统。目前该导航系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能，并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥重要作用。天线作为卫星导航的重要部件，对卫星导航系统的好坏起着重要作用。

[0003] 随着卫星导航定位技术的发展，卫星导航系统应用领域不断扩展，其终端接收机类型也越来越多。根据用途可分为车载式、舰载式、机载式、星载式以及弹载式等。所以它对终端天线要求要有电气特性、机械特性、较强的适应环境的能力。目前常用的卫星终端天线有十字交叉振子天线、四臂螺旋天线、微带天线以及螺旋天线。其中，微带天线以其优良的性能而广泛应用于卫星终端接收设备中。1953年，G.A.DeschamPs教授提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念，1955年H.Gutton和G.Baissinot申请了专利。1972年，芒森（R.E.Munson）和豪威尔（J.Q.Howell）等研制成功了第一批实用的微带天线，之后随着基片的光刻技术和各种低损耗机制材料的出现，微带天线得到了迅速地发展。在展宽带宽方面CamNguyen等人提出了采用不同材料的介质基板、天线加载、采用、口径耦合等方式来展宽频带带宽。在如何实现双频或多频天线时，D.M.Pozar和K-L Wong教授等提出了采用同一贴片，通过加载或开缝的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到调制，最终实现双频或多频工作；对于圆极化技术方面，国内西安电子科技大学的朱艳玲和焦永昌等设计了一种共口径双频双圆极化的微带天线，通过工作于高次模和主模的辐射贴片嵌套实现了双频双圆极化的要求，此外不但可以通过馈电激起两个模式的线极化波幅度相等、相位差90°时，就能得到圆极化的辐射波，还可以通过正交双馈来实现圆极化；对于天线的小型化，Hately，M.C和Kabbary，F.M，Stewant,B.G发明了交叉场天线，这也是最早的小型天线，此后人们研究出了可采用高介电常数、开缝、曲流技术、加载短路探针、PBG结构、分形等技术来实现天线的小型化。

[0004] 基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线的实现，主要措施有：辐射单元结构的耦合谐振调频技术，馈入结构包括馈电点的位置及馈隙调整、各臂交叉角度、嵌套环大小等。由于该天线的辐射单元为矩形辐射贴片，带有调频结构，具有结构稳定、节省材料、覆盖均匀等优点，而且能达到北斗及GPS等卫星系统对终端天线的要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种回波损耗低、增益高、干扰小且具有全向辐射特性的用于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线。

[0006] 本发明设有基板，所述基板为双面敷铜矩形基板，所述基板的一面刻蚀成辐射贴片，基板的另一面作为接地面；所述辐射贴片是通过内层最小正方形嵌套环向外延伸到次外层的嵌套环，进而由次外层的嵌套环延伸到最外层的嵌套环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环组成嵌套复合环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度相等。

[0007] 所述基板可采用陶瓷介质基板，基板的边长可为25mm±0.05mm，厚度可为3mm±0.05mm。

[0008] 所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度可为1～3mm，各臂之间的距离可为1～4mm；内层最小正方形嵌套环的各折叠臂的长度可为4～10mm，次外层的嵌套环的各折叠臂的长度可为8～18mm，最外层的嵌套环的各折叠臂的长度可为16～28mm。该辐射贴片各辐射臂之间成90°折叠交叉，构成闭合嵌套环，从而增加了天线的带宽、减小了天线回波损耗、提高了天线增益等，进一步优化了天线的性能。

[0009] 所述内层最小正方形嵌套环与次外层的嵌套环之间的距离可为2mm±0.05mm，次外层的嵌套环与最外层的嵌套环之间的距离可为2.5mm±0.05mm；所述内层最小正方形嵌套环的折叠臂长可为8mm±0.05mm；次外层的嵌套环的折叠臂的长度可为15mm±0.05mm，最外层的嵌套环的折叠臂的长度可为22mm±0.05mm。

[0010] 本发明采用双面敷金属良导体的矩形介质基板，在基板的一面制备成覆有良导体的接地板，另一面制备成覆有特定形貌的辐射贴片。该辐射贴片是通过内层最小正方型嵌套环向外延伸到次外层的嵌套环，进而由次外层的嵌套环延伸到最外层的嵌套环，这种类似分形的形式来构成微带天线的辐射贴片。

[0011] 本发明还采用同轴馈电的形式，馈电点是在最外层嵌套环交叉臂上，并且距中心点（我们把介质基板的中心点定义为中心点）的水平距离可为9mm~10mm，馈电点距中心点的垂直距离可为0mm~2mm，并且可在最外层嵌套环交叉臂上的垂直方向上下浮动1mm~3mm；并可按需设置双馈，实现密集多峰特性。

[0012] 本发明的基本结构可以通过调整以上各参数的范围，优化后可保证频点覆盖北斗卫星系统的全部频段要求，且S11可以达到-10dB以下，增益可达到2.5dB以上。

[0013] 与常规卫星天线相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的技术效果：

[0014] 本发明采用了折叠螺旋的嵌套环结构，由于嵌套环具有不同的谐振长度，同时该天线具有类似分形的特点，也就使得该天线获得了小型化，展宽了天线的带宽，并且获得了多频特性，在满足北斗卫星和GPS等卫星通信系统对终端天线的要求的同时，也有望兼容其他应用频段。

[0015] 由于采用了上述新型结构，此天线具有全向辐射的特点，基本工作频点为1.61GHz和2.49GHz，工作频段可锁定在1.605～1.621GHz、2.485～2.51GHz的多频段，绝对带宽优于10MHz，相对带宽优于0.6%。

[0016] 综上所述，本发明具有结构新、尺寸小、辐射特性好、频点可控、增益高、回波损耗低、结构简单、生产成本低、受环境影响小等优点，可以满足北斗及GPS等导航系统对终端天线的要求。

[0017] 卫星导航系统终端天线。利用本发明的结构综合优化，可按需求灵活方便锁定于北斗系列卫星定位系统，嵌套复合结构多辐射臂，也有望兼容其他卫星导航系统天线的不同频段。

[0018] 本发明采用这种辐射贴片不但具有结构新颖、尺寸小，而且具有增益高，回波损耗小，方向特性好等优点。

附图说明

[0019] 图1为本发明实施例的基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线辐射贴片结构示意图。

[0020] 图2为本发明实施例的基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线侧面示意图。

[0021] 图3为本发明实施例的基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线的回波损耗（S11）性能图。在图4中，横坐标表示频率Frequency(GHz)，纵坐标表示回波损耗强度The return loss of the antenna(dB)。

[0022] 图4为本发明实施例的基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线的极坐标E面方向图。

[0023] 图5为本发明实施例的基于北斗导航系统的嵌套复合环微带多频天线的极坐标H面方向图。

具体实施方式

[0024] 以下结合典型的三缝阵列实施例和附图对本发明作进一步说明。

[0025] 参考图1和2，本发明实施例设有基板1，所述基板1为双面敷铜矩形基板，所述基板1的一面刻蚀成辐射贴片2，基板1的另一面作为接地面3；所述辐射贴片是通过内层最小正方形嵌套环向外延伸到次外层的嵌套环，进而由次外层的嵌套环延伸到最外层的嵌套环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环组成嵌套复合环，所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度相等，[0026] 所述基板1可采用陶瓷介质基板，基板的边长可为25mm±0.05mm，厚度可为3mm±0.05mm。

[0027] 所述内层最小正方形嵌套环、次外层的嵌套环和最外层的嵌套环的各臂的宽度可为1～3mm，各臂之间的距离可为1～4mm；内层最小正方形嵌套环的各折叠臂的长度可为4～10mm，次外层的嵌套环的各折叠臂的长度可为8～18mm，最外层的嵌套环的各折叠臂的长度可为16～28mm。该辐射贴片各辐射臂之间成90°折叠交叉，构成闭合嵌套环，从而增加了天线的带宽、减小了天线回波损耗、提高了天线增益等，进一步优化了天线的性能。

[0028] 所述内层最小正方形嵌套环与次外层的嵌套环之间的距离可为2mm±0.05mm，次外层的嵌套环与最外层的嵌套环之间的距离可为2.5mm±0.05mm；所述内层最小正方形嵌套环的折叠臂长可为8mm±0.05mm；次外层的嵌套环的折叠臂的长度可为15mm±0.05mm，最外层的嵌套环的折叠臂的长度可为22mm±0.05mm。

[0029] 参见图3，从图3可以看到，本实施例天线的工作频段为1.605～1.621GHz、2.485～2.51GHz，工作频段内回波损耗都在-10dB以下，在1.61GHz处的回波损耗最小约为-22.57dB,在1.2.492GHz处的回波损耗最小约为-23.64dB。在整个通频带内天线回波损耗(S11)性能都能满足要求。本发明天线在工作频点为1.61GHz的绝对带宽优于10MHz，工作频点为2.492GHz处的绝对带宽优于8MHz相对带宽优于0.32%，且本款天线为全向辐射，故可以很好地应用于北斗卫星与GPS等卫星系统中。

[0030] 参见图4和图5，图4为E面方向图，图5为H面方向图。从图中我们可以看到采用该新型天线结构有效抑制了天线的背瓣增益，提高了天线增益，使天线很好地满足了北斗卫星导航系统的要求。

[0031] 参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。

[0032] 表1

[0033]

[0034] 注：表中数据已有一定冗余，各数据之间有一定关联性，给出的是均衡特性，可根据需求特殊设计。

[0035] 本发明的制造加工误差在允许的范围内对天线各参数的影响不大。例如，当折叠螺旋臂之间的距离、陶瓷介质基板的尺寸、介质板敷铜层厚度、馈电点位置等误差控制在10%以内，以及陶瓷介质基板的相对介电常数误差控制在2%以内时，天线的各项参数变化不大。

[0036] 本发明的实施例给出了一款频段为1.605～1.621GHz、2.485～2.51GHz的卫星导航系统的接收与发射天线。实施例中的高性能介质基板材料可采用大于6的高介电常数陶瓷或改性环氧复合陶瓷作为基底，典型值可取相对介电常数为10的复合陶瓷，陶瓷介质板的边长为15～35mm，厚为1～4mm，可采用典型值为25mm×25mm×3mm尺寸的陶瓷介质板。