基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線的制作方法
【專利摘要】基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，涉及三角形微帶天線。提供尺寸適中、帶寬較大、回波損耗低、增益高、接收和發(fā)射信號頻道干擾小的基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線。設(shè)有基板，在基板上下表面分別敷有上金屬層和下金屬層，在上金屬層上雕刻有帶縫隙的三角形貼片，在三角形貼片的三條邊外圍分別設(shè)有條形貼片，三角形貼片的三個頂點外圍分別設(shè)有耦合小圓片；三角形貼片以三角形的一個頂點和中心的連線為軸設(shè)有1條垂直矩形縫隙和2條水平矩形縫隙，三角形貼片上設(shè)有饋電點；下金屬層為接地板，在下金屬層上設(shè)有饋電接頭，饋電接頭與饋電點連接。可按要求覆蓋北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的多個頻段，并利用引向臂陣列控制方向增益。
【專利說明】基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種三角形微帶天線，尤其是涉及一種用于北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線。
【背景技術(shù)】
[0002]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進一步服務(wù)。軍用與民用目的兼具。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、美國全球定位系統(tǒng)、俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)和歐盟伽利略定位系統(tǒng)為聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會認定的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)四大核心供應(yīng)商(Sun Hongwei, Li Zhigang, Ping Feng.Development of SatelliteNavigation in China[C].Frequency Control Symposium, 2007Joint with the21stEuropean Frequency and Time Forum.May, 2007，pp.297-300)。
[0003]天線設(shè)計及制造技術(shù)室衛(wèi)星的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，天線的各項特性及形態(tài)大小，極大程度地影響了衛(wèi)星的工作性能及應(yīng)用領(lǐng)域，隨著衛(wèi)星技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對天線的寬帶化、小型化、抗破壞性、多網(wǎng)絡(luò)兼容性等方面提出了更高的要求。天線在衛(wèi)星系統(tǒng)的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(tǒng)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(yōu)點，在移動通信、衛(wèi)星通訊、導(dǎo)彈遙測、多普勒雷達等許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)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(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(Hung Tien Nguyen, SimaNoghanian and Lot Shafa1.Microstrippatch miniaturization by slots loading[C].Antennas and Propagation SocietyInternational Symposium, 2005IEEE, Page (s):215-218vol.1B)、曲流技術(shù)(R.Chair, K.M.Luk, and K.F.Lee.Smal I dual patch antenna [J].Electron.Lett.35, 762 -764, Mayl3, 1999)、加載短路探針(Rod B.Waterhouse, S.D.Targonski, D.M.Kokotoff.Design and Performance of SmallPrintedAntennas[J].1EEE TRANSACTIONS ON ANTENNASANDPR0PAGAT10N, VOL.46，N0.11，NOVEMBER 1998)、PBG 結(jié)構(gòu)等技術(shù)來實現(xiàn)天線的小型化。在微帶貼片天線的設(shè)計過程中，由于多項技術(shù)指標是互相聯(lián)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(xué)教授八木秀次和宇田新太郎在上世紀20年代發(fā)明的，故又稱八木天線、八木-宇田天線或八木陣列天線(G.R.DeJean, T.T.Thai, S.Nikolaou, and Μ.M.Tentzeris.Design and analysis of microstrip b1-Yagi andquad-Yagi antenna arrays for WLAN applications[J].1EEE Antennas WirelessPropag.Lett.，vol.6，pp.244 - 248，2007)。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。鑒于將引向天線與微帶天線的突出優(yōu)點，為了將二者相互結(jié)合，國內(nèi)外專家學(xué)者都做了很多分析及實踐([6]KRAUSJohn D, MARHEFKA Ronald J..Antennas for all applications[M].Upper SaddleRiver, NJ:McGraw Hill, 2002 ； [7]Hyok J.Song, Marek E.Bialkowski and PawelKabacik.PARAMETER STUDY OF A BROADBAND UNIPLANAR QUAS1-YAGI ANTENNA[C].Microwaves, Radarand Wireless Communications.2000.Vol.1, pp.166-169 ；[8]S.K.PADHI andM.E.BIALK0WSK1.PARAMETRIC STUDY OF AMICROSTIRP YAGI ANTENNA[C].Microwave Conference,2000Asia_Pacific，PP.715-718 ; [9]Yihan D, Xiaoying Z.A novel microstripYagi antenna with tunable radiation pattern and central frequency [C].1ntelligent Radio for Future Personal Terminals(IMWS-1RFPT)，2011IEEE MTT-SInternational Microwave Workshop Series on.1EEE,2011,pp.1-2)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種尺寸適中、帶寬較大、回波損耗低、增益高、接收和發(fā)射信號頻道干擾小的基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線。
[0007]本發(fā)明設(shè)有基板，在基板上下表面分別敷有上金屬層和下金屬層，在上金屬層上雕刻有帶縫隙的三角形貼片，在三角形貼片的三條邊外圍分別設(shè)有條形貼片，三角形貼片的三個頂點外圍分別設(shè)有耦合小圓片；三角形貼片以三角形的一個頂點和中心的連線為軸設(shè)有I條垂直矩形縫隙和2條水平矩形縫隙，三角形貼片上設(shè)有饋電點；下金屬層為接地板，在下金屬層上設(shè)有饋電接頭，饋電接頭與饋電點連接。
[0008]所述基板可采用陶瓷介質(zhì)基板，所述陶瓷介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為8?15 ;所述陶瓷介質(zhì)基板可采用圓形陶瓷介質(zhì)板，圓形陶瓷介質(zhì)板的半徑可為15?45mm,厚度可為2?5mm,優(yōu)選半徑為20mm,厚度為3mm ;所述上金屬層和下金屬層均可采用銀層或銅層等。
[0009]所述垂直矩形縫隙的長為10?15mm，寬為0.5?1.5mm ;上水平矩形縫隙與三角形貼片中心的距離為3?5mm,矩形貼片的長為10?14mm,寬為0.5?1.5mm ;下水平矩形縫隙的長為11?13mm,寬為0.5?1.5_。
[0010]所述條形貼片可采用I?5條，條形貼片平行于對應(yīng)三角形貼片的三邊，條形貼片長為20?24mm,寬為I?2mm,條形貼片與對應(yīng)三角形貼片的三邊之間的距離為I?3mm ；條形貼片之間的距離為I?4_。
[0011]所述稱合小圓片的半徑為I?2mm,稱合小圓片的圓心與三角形貼片中心的距離為 18 ?20mm。
[0012]所述饋電點的直徑為0.8?1mm，所述饋電點與三角形貼片中心的水平距離可為3 ?Smnin
[0013]本發(fā)明利用開縫隙實現(xiàn)天線的小型化；通過調(diào)整縫隙貼片的大小可靈活控制頻點位置及增益。同時，利用加載條形貼片(引向臂)和耦合小圓片，改善三角形微帶天線的低仰角增益，具有尺寸適中、結(jié)構(gòu)新穎、帶寬大、輻射性能好、受環(huán)境影響小、成本低、易集成等優(yōu)點，可達到北斗衛(wèi)星與GPS導(dǎo)航等衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線的要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。[0015]圖2為本發(fā)明實施例的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明實施例的回波損耗(Sll)性能圖。在圖3中，橫坐標表示頻率(GHz)，縱坐標表示回波損耗強度(dB)。
[0017]圖4為本發(fā)明實施例的E面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
[0018]圖5為本發(fā)明實施例的H面方向圖。在圖中坐標為極坐標。
【具體實施方式】
[0019]以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0020]參見圖1和2，本發(fā)明實施例設(shè)有陶瓷介質(zhì)基板1，在基板I上下表面分別敷有上金屬層和下金屬層，在上金屬層上雕刻有帶縫隙的三角形貼片，在三角形貼片的三條邊外圍分別設(shè)有條形貼片，三角形貼片的三個頂點外圍分別設(shè)有耦合小圓片；下金屬層為接地板，三角形貼片上設(shè)有饋電點，在下金屬層上設(shè)有饋電接頭，饋電接頭與饋電點連接。
[0021]所述陶瓷介質(zhì)基板I的相對介電常數(shù)為10 ;所述陶瓷介質(zhì)基板采用圓形陶瓷介質(zhì)板，圓形陶瓷介質(zhì)板的半徑可為20mm±0.05mm,高為3mm±0.05mm ;所述上金屬層和下金屬層均采用銅層。
[0022]所述三角形貼片以三角形的一個頂點和中心的連線為軸設(shè)有I條垂直矩形縫隙和2條水平矩形縫隙,垂直矩形縫隙3的長為14.65mm±0.05mmmm,寬為1.05mm±0.05mm ；上水平矩形縫隙4與三角形貼片中心的距離為3mm±0.05mm,矩形縫隙4的長為
11.7mm±0.05mm,寬為1.05mm±0.05mm ;下水平矩形縫隙5與三角形貼片中心的距離為
7.7mm±0.05mm ;矩形縫隙 5 的長為 15.4mm±0.05mm,寬為 1.05mm±0.05mm。
[0023]所述條形貼片6可采用I?5條，條形貼片6平行于對應(yīng)三角形貼片的三邊，條形貼片6長為21.9mm±0.05mm,寬為1.8mm±0.05mm,條形貼片與對應(yīng)三角形貼片的三邊之間的距離為I?3mm ;條形貼片與對應(yīng)三角形貼片的三邊之間的距離為3mm±0.05mm
[0024]所述I禹合小圓片7的半徑為1.85mm±0.05mm,f禹合小圓片7的圓心與三角形貼片中心的距離為17.3mm±0.05mm。
[0025]本發(fā)明采用同軸線偏饋的形式饋電。圖中8為饋電點，它的半徑為
0.5mm±0.05mm,它與三角形中心的水平距離為2.56±0.05mm,垂直距離為1.97±0.05mm。饋電柱為高度為3mm±0.05mm的空心導(dǎo)電圓柱。如圖2所示,這種饋電形式使得天線的Sll更低，增益更大。其中同軸線的內(nèi)心通過饋孔與三角形貼片2連接，而同軸線的外芯與陶瓷陶瓷介質(zhì)基板下表面的接地板9相連。
[0026]圖中標記10為饋電接頭。
[0027]參見圖3，從圖3中可以看出，本發(fā)明天線的工作頻率為2.492GHz，此工作頻段內(nèi)天線的回波損耗(Sll)都在IOdB以下，絕對帶寬為20MHz。表明本天線在兩個工作評斷的劃撥損耗都能達到要求指標，因而可以很好地應(yīng)用于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)中。
[0028]參見圖4和圖5，圖4和圖5分別為2.492GHz頻點的E面與H面方向圖。從圖中可以看出，本發(fā)明具有定向輻射特性，可以滿足北斗衛(wèi)星與其他導(dǎo)航系統(tǒng)的要求，輻射性能優(yōu)越。
[0029]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，帖片上尺寸、縫隙的寬度、縫隙與各邊的間距、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2%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5%以內(nèi)時，天線的各項參數(shù)變化不大。
[0030]表1給出了本發(fā)明的制作加工誤差對天線特性的工作頻段的影響情況。
[0031]表1
[0032]
【權(quán)利要求】
1.基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于設(shè)有基板，在基板上下表面分別敷有上金屬層和下金屬層，在上金屬層上雕刻有帶縫隙的三角形貼片，在三角形貼片的三條邊外圍分別設(shè)有條形貼片，三角形貼片的三個頂點外圍分別設(shè)有耦合小圓片；三角形貼片以三角形的一個頂點和中心的連線為軸設(shè)有I條垂直矩形縫隙和2條水平矩形縫隙，三角形貼片上設(shè)有饋電點；下金屬層為接地板，在下金屬層上設(shè)有饋電接頭，饋電接頭與饋電點連接。
2.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述基板采用陶瓷介質(zhì)基板，所述陶瓷介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)為8?15。
3.如權(quán)利要求2所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述陶瓷介質(zhì)基板采用圓形陶瓷介質(zhì)板，圓形陶瓷介質(zhì)板的半徑可為15?45mm,厚度可為2?5mm,優(yōu)選半徑為20mm,厚度為3mm。
4.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述上金屬層和下金屬層均采用銀層或銅層。
5.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述垂直矩形縫隙的長為10?15mm,寬為0.5?1.5mm。
6.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述上水平矩形縫隙與三角形貼片中心的距離為3?5mm，矩形貼片的長為10?14mm，寬為0.5?1.5mm ;下水平矩形縫隙的長為11?13mm,寬為0.5?1.5_。
7.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述條形貼片采用I?5條，條形貼片平行于對應(yīng)三角形貼片的三邊，條形貼片長為20?24mm，寬為I?2mm，條形貼片與對應(yīng)三角形貼片的三邊之間的距離為I?3mm。
8.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述條形貼片之間的距離為I?4_。
9.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述耦合小圓片的半徑為I?2mm,稱合小圓片的圓心與三角形貼片中心的距離為18?20mm。
10.如權(quán)利要求1所述基于引向臂陣列的北斗三角形陶瓷微帶天線，其特征在于所述饋電點的直徑為0.8?1mm，所述饋電點與三角形貼片中心的水平距離為3?5mm。
【文檔編號】H01Q13/10GK103840267SQ201410106553
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】游佰強, 肖振寧, 周建華, 蔡龍瑞, 梁冰洋 申請人:廈門大學(xué)