专利名称：一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线的制作方法
技术领域：
本使用新型涉及到一种卫星导航与定位天线，它可以同时工作在中国北斗二代系 统的Bl频段(1561. 098MHz)和美国的GPS系统Ll频段(1575. 42MHz)的多个导航系统的 兼容接收天线。
背景技术：
卫星导航产业是国家战略性高技术产业，是典型的技术密集型与服务型IT产业， 其发展前景十分广阔，已经成为国际八大无线产业之一，是继蜂窝移动通信和互联网之后， 全球发展最快的信息产业，已成为第三个IT经济的又一个新的增长点。以美国全球定位 系统GPS为代表的卫星与定位GPS应用产业已逐步成为一个全球性的高新技术产业。我 国的卫星导航产业正进入产业化高速发展的关键时刻，预计在今后五到十年内将形成GPS、 GL0NASS, GALILEO和北斗卫星导航系统融合的全球性导航卫星系统的集合。随着各导航系统的发展，多系统并存、多模融合步伐将进一步加快，单一的GPS系 统时代正在转变为多星座并存且兼容的全球导航卫星系统(GNSS)时代，在可以预见的将 来，覆盖各国领土的卫星导航系统将包括GPS、GL0NASS、GALILEO和北斗卫星导航系统四大 系统。各个系统的优劣在于GPS发展时间长，应用广泛，但出于国家安全考虑，美国的GPS 一直没有承诺对民用服务的连续性；GL0NASS的抗干扰能力强，但是系统运行状态不稳，同 时编码方式特殊；GALILEO相对精准，但技术成熟度相对较晚。北斗卫星导航系统是从中国 战略层面上开发的一套具有自主知识产权和双向通信能力的卫星导航与定位系统。因此， 开发同时兼容上述卫星导航系统的应用技术，实现多模融合，是卫星导航产业发展的必然 趋势。但是，目前设计多导航系统兼容的天线存在以下几方面的技术难点1、轴比/阻抗宽带化技术在移动卫星通信中，卫星上的发射系统用圆极化波广播信号，以便运动中的交通 工具和用户配用的移动卫星通信设备终端在与卫星无关的任何方向上可以接收卫星的信 号，卫星上的发射系统覆盖一个很大的范围，无须对准某个具体的终端。为了满足这种需 求，用于移动卫星通信设备的天线必需在很宽波束内具有良好的圆极化性能。传统的螺旋天线常用于卫星导航系统中，用于产生圆极化波传播，由于该天线需 要从接地金属板的表面向上延伸出的高度为 人/？丨其中Aci为天线工作波长)一 段螺旋，因此其样式不佳，还增加了空气动力学上的阻力。低剖面的微带天线可以弥补上述 不足，但是传统的单馈点微带圆极化天线尚存在以下缺点(1)没有足够的波束宽度，无法 保证为移动卫星通信提供足够宽的覆盖范围；(2)当拥有足够的波束宽度时，阻抗带宽却 不足。微带天线的辐射波束宽度虽然通过采用高介电常数的介质材料或采用微带开槽技术 把天线的尺寸缩小从而产生宽的辐射波束，但这种方法却使阻抗带宽减少，不能满足需求。2、小型化技术小型化技术是多系统导航兼容型天线设计中的一大难题。无论从电性能方面来说，还是从机械尺寸方面来说，小型化技术都是不可或缺的。从电性能方面来说，卫星导航 系统要求天线的辐射波束要足够宽，而通常情况下，尺寸小的天线可以产生宽的辐射波束。 从机械尺寸方面来说，当多个天线单元组合在一起的时候，整个天线的尺寸势必会增加，不 仅会增加空气动力学的阻力，还会增加到天线的装配方面的难度，对天线的机械强度提出 了更高的要求。3、天线增益增强技术北斗、GPS及GL0NASS等卫星导航定位系统要求天线不仅具有很宽的波束范围， 还要求天线具有较高的增益。常见的增益要求为在仰角20° 90°的范围内，增益大于 OdBic，在仰角为5° 20°的范围内，增益大于_3dBic。为了达到这种要求，首先要改善端 口的阻抗匹配，保证射频信号能够馈入各个天线单元中，减少反射回去的信号能量。在保证 端口良好匹配的基础上还要提高天线的辐射效率，使馈入天线的信号能充分的发射出去， 减少天线单元中的能量损失，包括介质损耗，金属损耗等。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种能够兼容多个卫星导航与 定位系统的接收天线，且实现良好的阻抗带宽、轴比带宽、增益和小体积等性能。本实用新型利用正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线，实现了良好的圆极化天线 性能，其天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带宽都涵盖了北斗Bl和GPS Ll两个全球卫星定 位系统的两个频段，此外还具有小型化，结构紧凑，便于加工和应用的特点。本实用新型的目的通过如下技术方案实现一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，采用微带电路的形式来实现，包括上 层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器。上 层微带天线结构和金属地板层分别附着上层介质基板上下两面；金属层地板下表面与下层 介质基板连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介质基板下表面。上层微带天线结构为方形金属片(铜片或银片)。底层Wilkinson功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线 以及贴片电阻组成。第三低阻抗线与高阻线连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线分别与两 金属同轴线连接，第一低阻抗线、第二低阻抗线分别与高阻线连接，贴片电阻连接第一低阻 抗线和第二低阻抗线；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线、第二低阻抗线和第三低阻抗线 的特征阻抗ZnW々倍，贴片电阻的阻抗值为特征阻抗Ztl的2倍；这样就可使得Wilkinson 功分器的输入端和输出端接入与低阻抗微带线特征阻抗Ztl相等的负载时实现完全匹配。上层介质基板、下层介质基板设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线； 两馈电同轴线分别上层微带天线结构与第一低阻抗线和第二低阻抗线连接在一起；两馈电 同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线 得间距为0.069 λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049 λ ；其中λ为上层介 质基板中的等效波长。两个圆柱形挖孔与两馈电同轴线的同轴。金属底板层设有两圆形挖 孔，两圆形挖孔分别与两馈电同轴线的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径稍大。由于上层介质基板为具有高介电常数的陶瓷介质，为了克服由此给输入阻抗带来 的高感抗的问题，两同轴线的间距只有0. 069 λ (λ为上层介质基板4中的等效波长)，比常规的正交同轴馈电的圆极化方形天线的两同轴线的间距(一般为0. 113 λ)要小。上层微带天线结构与底层Wilkinson功分器层共用金属地板层。上层介质基板和下层介质基板均为高介电常数的陶瓷介质。与现有技术相比，本 实用新型具有如下优点和技术效果(1)所述天线采用正交双同轴线馈电，有效地拓展了轴比带宽和阻抗带宽。实施 例中在轴比小于1.76的情况下，频率范围为1.472 1.58GHz，带宽达到108MHz，增益大 于2dB的情况下频率范围为1. 55 1. 635GHz，增益带宽达到84MHz ；而回波损耗在1. 5 1. 606GHz频率范围内小于-15dB，使得阻抗带宽大于106MHz。(2)天线采用两相互靠近的同轴线馈电，克服了由陶瓷介质高介电常数带来的高 感抗的问题，改善了天线的匹配性能。(3)天线采用功分器与天线共用地板，有效减小天线的厚度，使结构更紧凑，便于
加工生产。(4)天线采用陶瓷介质，有效地减少了天线的体积，拓展了波束宽度。(5)天线采用低损耗的陶瓷材料改善了天线的辐射效率，提高了天线增益。
图1为基于正交耦合馈电的环形圆极化陶瓷天线结构示意图；图2a为微带天线结构层的示意图；图2b为金属地板层的示意图；图2c为底层Wikinson功分器的示意图；图3a为本实用新型的回波损耗示意图；图3b为本实用新型的轴比示意图；图3c为本实用新型的增益示意图；图4为本实用新型的两同轴线的之间的等效电路图。
以下结合附图对本实用新型的作详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
具体实施方式
如图l、2a、2b、2c所示，一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，采用微带电路 的形式来实现，包括上层微带天线结构1、上层介质基板4、金属地板层5、下层介质基板8和 底层Wilkinson功分器。上层微带天线结构1和金属地板层5分别附着上层介质基板4上 下两面；金属层地板5下表面与下层介质基板8连接，底层Wilkinson功分器附着在下层介 质基板8下表面。上层微带天线结构1为方形金属片，其边长a和上层介质基板4的介电 常数一起决定天线的谐振频率，具体的公式为式中是工作频率，
对同时工作在中国北斗二代Bl频段和美国的GPS系统Ll频段(1575.42MHz)两个 导航系统可取
c为光在真空中的速度；aeff为方形金属片的有效边长，
h为上层介质基板4的厚度；ε e为上层
介质基板的等效介电常数
为上层介电常数的相对介电常数。底层Wilkinson功分器层由高阻线10、第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y、第三低 阻抗线11以及贴片电阻12组成。高阻线10为带开口的环形；第三低阻抗线11与高阻线 10连接；第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y分别与两金属同轴线2、3连接，第一低阻抗 线9x、第二低阻抗线9y还分别与高阻线10的开口点连接，贴片电阻12连接第一低阻抗线 9x和第二低阻抗线9y ；高阻线10的特征阻抗为第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y和第三 低阻抗线的特征阻抗Ztl的力倍；第一低阻抗线9x、第二低阻抗线9y和第三低阻抗线的特 征阻抗Ztl相同。贴片电阻12的阻抗值为特征阻抗Ztl的2倍；这样就可使得Wilkinson功 分器的输入端和输出端接入与低阻抗微带线特征阻抗Ztl相等的负载时实现完全匹配。上层介质基板4、下层介质基板8设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴 线2、3 ；两馈电同轴线2、3分别连接上层微带天线结构1与第一低阻抗线9x和第二低阻抗 线9y ；两个圆柱形挖孔与两馈电同轴线2、3的轴线同心。金属底板层5设有两圆形挖孔6、 7，两圆形挖孔6、7分别与两馈电同轴线2、3的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径稍大。两馈电同轴线2、3的位置应满足两个馈电点之间幅度相等且相位正交的要求， 即当底层Wilkinson功分器的第一低阻抗线9x和第二低阻抗线9y之间信号幅度相同 且相位正交时，两馈电同轴线2、3的中心与上层微带天线结构1的几何中心之间的连线 构成的夹角为90度。两馈电点分别与上层微带天线结构1的几何中心的连线成90°， 且与几何中心的距离相等，能够激励产生两相互正交的模式，满足了右旋圆极化的其中 一个条件。为了保证该天线产生右旋圆极化，Wilkinson功分器连接到同轴线2的微带 线9x要比连接到同轴线3的微带线9y长λ/4(λ为下层介质基板8中的等效波长，
可通过公式
计算得到，其中c是光在真空中的速度，f是工作频率，
是等效介电常数，它由微带线宽度、介质厚度和介质相对介电常数决定，其计算公式为
,h是介质厚度，W是微带线宽度)，保证同轴线2中
的相位比同轴线3中相位超前90°。Wilkinson功分器的使用，提高了天线的圆极化性能， 拓展了天线的轴比带宽。由于上层介质基板4为具有高介电常数的陶瓷介质，为了克服由此给输入阻抗带 来的高感抗的问题，两同轴线的间距只有0.069 λ (λ为上层介质基板4中的等效波长，
可通过公式
计算得到，其中c是光在真空中的速度，f是工作频率，
是等效介电常数，它由上层天线结构、介质厚度和介质相对介电常数决定，其计算公式为
h是上层介质4厚度，a是上层微带天线结构1的边
长)，比常规的正交同轴馈电的圆极化方形天线的两同轴线之间的距离(一般为0. 113 λ ) 要小。由于两同轴线2、3之间的距离很近，它们之间产生较强电容，并与由于使用高介电常 数的介质基板引起的同轴馈线附加的电感串联，即可相互抵消。其等效电路图如图4所示， 其中Li、L2为同轴线2、3分别引起电感，C为由于十分靠近的同轴线2、3产生的电容。上层微带天线结构与底层Wilkinson功分器层共用金属地板层5，有效地减少天 线体积，使天线结构更加紧凑。上层介质基板4和下层介质基板8均为陶瓷介质。上层介质基板4具有高介电常数的特点，能够有效的减小天线体积。 应用本实用新型基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线的效果如图3a、3b、3b所 示，从图3a可见，在北斗Bl和GPS Li，所在的1. 55 1. 58GHz频段内，回波损耗Sll < -19dB，从图3b中可以看到，在上述频带内轴比AR < 1.76dB，从图3c中可以看到，在 1. 55 1. 58GHz频带内，增益Gain > 2. OdB。这说明天线的阻抗带宽、轴比带宽和增益带 宽覆盖了北斗Bl和GPS的Ll频段，使得天线在上述频段内具有良好的性能。
权利要求一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层功分器；上层微带天线结构为方形天线，上层微带天线结构和金属地板层分别附着上层介质基板上下两面；金属层地板下表面与下层介质基板连接，底层功分器附着在下层介质基板下表面；其特征在于所述上层微带天线结构为方形金属片；所述底层功分器层由高阻线、第一低阻抗线、第二低阻抗线、第三低阻抗线以及贴片电阻组成；高阻线为带开口的环形；第三低阻抗线与高阻线连接；第一低阻抗线和第二低阻抗线分别与两金属同轴线连接，第一低阻抗线、第二低阻抗线还分别与高阻线的开口点连接，贴片电阻连接第一低阻抗线和第二低阻抗线；高阻线的特征阻抗为第一低阻抗线、第二低阻抗线或第三低阻抗线的特征阻抗Z0的 倍，贴片电阻的阻抗值为特征阻抗Z0的2倍；上层介质基板、金属地板层和下层介质基板设有两个圆柱形挖孔，分别用于设置两馈电同轴线；两馈电同轴线分别将第一低阻抗线、第二低阻抗线与上层微带天线结构连接在一起；两馈电同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线得间距为0.069λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049λ；其中λ为上层介质基板中的等效波长。dest_path_FSB00000254553100011.tif
2.根据权利要求1所述的一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于所 述上层介质基板和下层介质基板均为具有高介电常数的陶瓷介质。
3.根据权利要求1所述的一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，其特征在于所 述金属底板层的两圆形挖孔分别与两馈电同轴线的轴线同心，直径比两馈电同轴线的直径 大。
专利摘要本实用新型公开一种基于正交同轴馈电的圆极化陶瓷天线，包括上层微带天线结构、上层介质基板、金属地板层、下层介质基板和底层Wilkinson功分器；两馈电同轴线分别将第一低阻抗线、第二低阻抗线与上层微带天线结构连接在一起；两馈电同轴线的中心与上层微带天线结构的几何中心之间的连线构成的夹角为90度；两同轴线得间距为0.069λ，与上层微带天线结构的几何中心的距离为0.049λ。该天线采用两个距离足够小的正交同轴线馈电，产生足够大的电容，以抵消由于使用具有高介电常数的陶瓷介质所引起的同轴馈电线附件电感，达到改善天线的匹配性能，提高天线的增益的功能。该天线具有小型化、宽带化合结构紧凑、便于加工的特点。
文档编号H01Q13/08GK201674000SQ20102012683
公开日2010年12月15日 申请日期2010年3月4日 优先权日2010年3月4日
发明者王晓欣, 胡斌杰 申请人:华南理工大学