一款面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线

技术领域

本发明属于卫星导航领域，具体涉及一款面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线设施。

背景技术

近些年来卫星导航定位技术作为国家综合国力的重要标志之一，无论对国家的经济和科技发展还是国家的社会安全稳定都有着极其重大的意义，对提高国家的国际地位更能起到重要作用。北斗卫星导航系统是中国自主研发运行的卫星导航系统，能够为全球用户提供全天候、全天时、高精度和授时服务的国家重要时空基础设施。

卫星导航定位技术主要是一种无线移动通信系统，与无线移动通信系统有着相似的功能和系统组成。天线作为任何无线通信必备的器件，也是北斗卫星导航系统中的重要组成和关键设备，天线接收卫星信号的性能对整个导航定位系统的性能有着重要影响，传统的天线主要是单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的，以及微带天线，均可用于卫星通信系统的各种天线中。传统天线剖面较高、体积大、不可共形、难易集成、馈电方式复杂、不便于获得线极化和圆极化等缺点。

因此为了保证在移动通信，卫星通讯，导弹遥测，多普勒雷达等许多领域获得了广泛的应用，中国专利CN103022685A公开了一种北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，本发明的目的在于提供一种尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的北斗系统耦合加载寄生单元正交合成双频微带天线，通过发明的加载技术，可以实现3个相位相差60°的电流，再结合优化调整缝隙和桥接部分可实现相位匹配，在北斗收发频段实现双频圆极化，但是没有解决信号在传输过程中难免会产生衰减或畸变不能采用多种极化信号传输的方式来形成独立信道，难以保证北斗导航定位的质量。为此，中国专利CN117060047A设计了一种加载寄生单元的混合馈电双极化天线，采用混合馈电技术，并在天线上方加载与其空间上平行的寄生单元，保证极化端口的隔离度，提高天线的增益表现。该专利虽然能解决信号在传输过程中避免会产生衰减或畸变，采用多种极化信号传输的方式来形成独立信道，保证北斗导航定位的质量，但是该北斗平面天线剖面较高、远场辐射增益较低、辐射方向单一。

因此，现有的北斗天线存在着以上几个的技术缺点：(1)平面天线金属辐射贴片较小时远场辐射增益太小。原因在于平面天线金属辐射贴片较小时，金属贴片表面的表面电流强度非常微弱，微弱的表面电流激发的电磁辐射强度也比较弱。(2)采用多层介质基板的平面天线不同层介质基板间有空气间隙，导致天线的高度增加，即天线的剖面增大(3)平面天线介质基板的一侧表面全部覆盖金属时，由于金属贴片会阻挡电磁能量的辐射，所以只能在一个方向上产生辐射，即单向辐射天线，因此单向辐射天线也只能在一个方向上接收无线电信号。

所以，如何保证信号在传输过程中避免会产生衰减与畸变和多种极化信号传输的方式来形成独立信道并且尺寸适中、带宽较大、回波损耗较低、增益高、接收与发射信号频道干扰小的问题成为目前本领域人员待解决的技术问题。

发明内容

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案：

一款面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线设施，包括两块介质基板(10、20)、三个金属寄生单元(11、12、13)、一个金属接地板(17)、一个微带馈电线(14、15)；

所述两块介质基板(10、20)紧密结合在一起，中间没有任何空气间隙；

所述三个寄生单元(11、12、13)是位于上层介质基板上表面；

所述一个金属接地板(17)开有矩形缝隙(16)的并位于下层介质基板下表面；

所述一个微带馈电线(14、15)是位于下层介质基板上表面或者上层介质基板下表面的矩形金属贴片结构。

优选的，所述两块介质基板所述的两块介质基板(10、20)完全相同，组成基板的介质材料和基板几何尺寸完全相同；

进一步，所述上层介质基板(10)表面刻蚀有金属贴片，下层介质基板(20)两个表面都刻蚀有金属结构，其介质基板(20)上表面加工一个“T”型金属贴片，下表面加工一个非金属矩形结构(16)。

优选的，所述矩形费金属区域(16)的长边、短边分别平行与介质基板(20)下表面的长边、短边，形成了有矩形非金属缝隙结构(16)的金属接地板(17)。

优选的，所述的三个寄生单元(11、12、13)是位于上层介质基板(10)上表面的金属贴片结构，三个寄生单元(11、12、13)几何形状为一个圆形贴片结构，在两侧对称的边上增加两个相同的弧形结构，形成“糖果”型，三个“糖果”型寄生结构的几何中心位于一条直线上，该直线与接地板缝隙长边形成20°夹角，与微带馈电线(14、15)长边形成70°夹角；

进一步，所述三个“糖果”型寄生结构大小不同，中间一个寄生单元(12)比两侧两个寄生单元(11、13)几何尺寸大，两侧两个较小的寄生单元(11、13)分别位于接地板缝隙的上下两侧，微带馈电线的左右两侧，中间较大的“糖果”型寄生结构几何中心与接地板缝隙和微带馈电线(14、15)相交而形成的中心重合。

优选的，所述的一个金属接地板(17)是大小与介质基板(10、20)相同、厚度极小的铜制或银质金属贴片结构，位于下层介质基板(20)下表面，金属接地板(17)中加工一个非金属矩形结构(16)；

所述非金属矩形结构(16)四个边平行于接地板的四边，将微波SMA接头的外侧导体与金属接地板(17)连接。

优选的，所述的末端加宽的矩形金属贴片(14)末端加工一个矩形金属贴片(15)，矩形金属贴片(15)长度的几何中点与矩形金属贴片(14)的几何中点重合，两个矩形金属贴片(14、15)连接而形成一个“T”型金属馈电贴片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

(1)利用平面天线多层介质基板表面金属寄生结构的二次辐射提高平面天线的远场辐射增益。

(2)将多层介质基板平面天线介质基板紧密贴合减小天线的剖面，实现一款低剖面天线。

(3)利用金属接地板中缝隙辐射，获得两个方向上都有电磁辐射的双向天线，改善天线接收无线信号的能力。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明设计天线透视结构示意图。

图2为本发明设计天线俯视结构示意图。

图3为本发明设计天线仰视结构示意图。

图4为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线分析所得端口反射参数(S11)随频率变化曲线图。

图5为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线分析所得远场辐射增益随频率变化曲线图。

图6为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线分析所得频点f＝1.56GHz处E面远场辐射方向图。

图7为利用三维电磁仿真软件对本发明设计天线分析所得频点f＝1.56GHz处H面远场辐射方向图。

附图标记：10、上层介质基板；11、寄生金属贴片；12、寄生金属贴片；13、寄生金属贴片；14、微带馈电线；15、微带馈电线；16、矩形缝隙；17、金属接地板；20、下层介质基板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

应该理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“本实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“一个实施例”或“本实施例”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B的至少一种，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含。

实施例1

为方便描述，如图1-3所示，本发明设计天线中的所有结构都利用数字加以表示。

参见图1-3所示，本发明天线面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线的具体实施方法为：

一款面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线设施，包括两块介质基板10、20、三个金属寄生单元11、12、13、一个金属接地板17、一个微带馈电线14、15；

所述两块介质基板10、20紧密结合在一起，中间没有任何空气间隙；

所述三个寄生单元11、12、13是位于上层介质基板上表面；

所述一个金属接地板17开有矩形缝隙16的并位于下层介质基板下表面；

所述一个微带馈电线14、15是位于下层介质基板上表面或者上层介质基板下表面的矩形金属贴片结构；

所述选择长度L＝80±3％mm，宽度W＝100±3％mm，厚度为h＝1.6±2％mm，组成材料为FR4的两块介质板作为本发明设计天线的介质基板10、20，介质基板10、20的材料采用介电常数为4.4±3％，损耗角正切为0.02±4％的常用微波介质FR4；

所述利用电路板印刷技术在上述介质基板10、20表面加工金属贴片结构。

所述介质基板20下表面首先全部覆盖金属铜或者金属银，再利用电路板刻蚀技术，以介质基板20下表面几何中心为中心，加工一个长度为50±3％mm，宽度为3±3％mm的矩形非金属区域16，该矩形费金属区域16的长边、短边分别平行与介质基板20下表面的长边、短边，上述即形成了本发明设计天线的有矩形非金属缝隙结构16的金属接地板17；

所述下层介质基板20上表面加工一个“T”型金属贴片。

进一步，所述两块介质基板所述的两块介质基板10、20完全相同，组成基板的介质材料和基板几何尺寸完全相同。

进一步，所述上层介质基板10表面刻蚀有金属贴片，下层介质基板20两个表面都刻蚀有金属结构，其介质基板20上表面加工一个“T”型金属贴片，下表面加工一个非金属矩形结构16；

所述以下层介质基板20上表面几何中心和下边沿中点连线为轴，加工一个长度为50±3％mm，宽度为4±3％mm的矩形金属贴片14，该矩形金属贴片14的下侧宽度为4±3％mm的短边与介质基板20上表面下侧边沿重合，两边的几何中心相同。矩形金属贴片14两条长度为50±3％mm的长边平行于介质基板20上表面长度为80±3％mm的两侧边。

进一步，所述矩形非金属区域16的长边、短边分别平行与介质基板20下表面的长边、短边，形成了有矩形非金属缝隙结构16的金属接地板17。

进一步，所述的三个寄生单元11、12、13是位于上层介质基板10上表面的金属贴片结构，三个寄生单元11、12、13几何形状为一个圆形贴片结构，在两侧对称的边上增加两个相同的弧形结构，形成“糖果”型，三个“糖果”型寄生结构的几何中心位于一条直线上，该直线与接地板缝隙长边形成20°夹角，与微带馈电线14、15长边形成70°夹角；

所述上层介质基板10上表面几何中心处，加工一个半径为11.4±3％mm的圆形金属贴片，圆形金属贴片边缘处两个对称位置上，加工两个弧形金属贴片，弧形金属贴片内半径为11.4±3％mm，弧形金属贴片外半径为15.4±3％mm，弧度为36±2％°，两个弧形金属贴片和一个圆形金属贴片连接形成寄生结构12。寄生结构12的两个弧形金属贴片内外边中心点连线过上述圆形金属贴片圆心，俯视图中，该条连线与矩形微带馈电线14间夹角为20±2％°，该条连线与金属接地板上的矩形缝隙16间夹角为70±2％°。

进一步，所述三个“糖果”型寄生结构大小不同，中间一个寄生单元12比两侧两个寄生单元11、13几何尺寸大，两侧两个较小的寄生单元11、13分别位于接地板缝隙的上下两侧，微带馈电线的左右两侧，中间较大的“糖果”型寄生结构几何中心与接地板缝隙和微带馈电线14、15相交而形成的中心重合。

进一步，两个寄生金属贴片11、13的中间圆形贴片的半径为8.96±3％mm，两个弧形贴片的弧长为3.2±2％mm，弧度为36±2％°。两个寄生金属贴片11、13几何中心连线过寄生金属贴片12的几何中心，俯视图中，寄生金属贴片11、13几何中心与介质基板10上表面就近两个边距离相同，距离都为30±5％mm。

进一步，所述的一个金属接地板17是大小与介质基板10、20相同、厚度极小的铜制或银质金属贴片结构，位于下层介质基板20下表面，金属接地板17中加工一个非金属矩形结构16；

所述非金属矩形结构16四个边平行于接地板的四边，将微波SMA接头的外侧导体与金属接地板17连接。

进一步，所述的末端加宽的矩形金属贴片(14)末端加工一个矩形金属贴片(15)，矩形金属贴片15长度的几何中点与矩形金属贴片14的几何中点重合，两个矩形金属贴片14、15连接而形成一个“T”型金属馈电贴片；

所述矩形金属贴片14末端加工一个宽度为10±3％mm，长度为20±3％mm的矩形金属贴片15，矩形金属贴片15长度为20±3％mm边的几何中点与矩形金属贴片14宽度为4±3％mm边几何中点重合，两个矩形金属贴片连接而形成一个“T”型金属馈电贴片。

上述即完成了本发明设计天线的一次完整的实施。

利用三维电磁仿真软件HFSS对本发明设计面向北斗导航应用多寄生单元双向辐射微带天线进行仿真分析得知，如图4-图5所示，该天线能够在频率f＝1.56GHz处产生谐振，有效工作宽带达130MHz。谐振频点处，端口匹配非常好，端口反射系数达-29.25dBi。根据分析计算所得有效工作频带内，垂直于介质基板表面方向上的最大远场辐射增益gain＝2.55dBi，实现了高增益。图6和图7天线远场辐射方向图显示，本发明设计天线能够垂直介质基板的两个方向上都有辐射，是一个双向辐射天线。

以上所述仅仅是本发明的较佳实施例，并不用于对本发明方案进行任何限制，本领域技术人员应用理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均会落入由权利要求所划定的保护范围之内。