一种双频圆极化微带北斗天线的制作方法

本发明涉及通信天线领域，具体涉及一种双频圆极化微带北斗天线，适用于信号传输。

背景技术：

微带天线具有以下几个方面的优点；(1)具有剖面薄，容易与载体(如飞行器)共形的特点；(2)微带天线体积小，重量轻，成本低，易于大量生产；(3)微带天线具有平面结构，与集成电路有良好的兼容性，能和有源器件、电路集成为统一的组件；(4)不同设计的微带元，其最大辐射方向可以从边射到端射范围内调整，可以用简单的馈电实现线极化和圆极化。因此在雷达目标精确识别、电子对抗、地质矿藏勘探、地球物理勘测、无线通信、移动通信、卫星通信等众多军用和民用领域都有着广泛的应用需求。

近年来，随着多模卫星组合导航技术的发展，可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了越来越多的关注。在此类应用中，要求微带天线双频工作。微带天线实现双频工作的方法有很多，根据不同的尺寸及性能要求，实现双频工作的方法也不尽相同。归纳起来大概分为两类：单层微带结构和多层微带结构。单层结构实现需在微带贴片上开槽或者是电容、电阻加载，改变微带贴片上场的分布，进而使得天线出现双谐振模式；多层结构实现时可以选用相同或者不同介电常数的介质基板，通过不同层的微带贴片形成不同的谐振性能，从而实现双频工作。

技术实现要素：

本发明专利提供一种双频圆极化微带北斗天线，该天线使用一种新的双层微带贴片耦合馈电结构，此结构微带天线能够实现在北斗导航B1(1561.098±2.046MHz)和B3频段(1268.52±10.23MHz)双频工作。该结构双频微带北斗天线与一般的双频微带北斗天线相比，只有一个馈电端口，天线轻巧简便；天线具有低仰角度高增益、圆极化度高、轴比好、B1和B3频段间隔离度高的特点。本发明的目的可通过下列技术方案实现：

一种双频圆极化微带北斗天线，包括同轴馈电探针，还包括下层基板和设置在下层基板上的上层基板，下层基板的底面设置有金属接地层，下层基板的顶面设置有下层微带贴片，上层基板的顶面设置有上层微带贴片，下层微带贴片上设置有下层微带贴片孔，贯通孔依次贯穿上层基板、下层微带贴片孔、下层基板和金属接地层，贯通孔内设置有同轴馈电探针，同轴馈电探针的顶端与上层微带贴片连接，同轴馈电探针的底端与金属接地层之间设置有同轴线内介质，同轴线内介质外套设有与金属接地层连接的馈线屏蔽层。

如上所述的上层基板和下层基板均为Taconic RF35板材，上层基板和下层基板的介电常数ε_r＝3.5，介质损耗正切角tanσ＝0.0018，上层基板的厚度H2＝1.5mm，下层基板的厚度H1＝1.5mm。

如上所述的上层基板为边长为60mm的正方形，下层基板为边长为70mm的正方形。

如上所述的下层微带贴片为边长46.8mm的正方形贴片切除对角，下层微带贴片的切除的对角均为直角边长为3.2mm的等边直角三角形；上层微带贴片为边长为37.6mm正方形贴片切除对角，上层微带贴片的切除的对角均为直角边长为2.4mm的等边直角三角形。

如上所述的下层微带贴片和上层微带贴片的中心垂线共线，下层微带贴片和上层微带贴片的对应的各边平行，下层微带贴片所在正方形的其中一个边为下层微带贴片参照边，下层微带贴片孔的中心位于下层微带贴片的中心远离下层微带贴片参照边垂直偏移6.3mm的位置；贯通孔的轴线、同轴馈电探针的轴线、下层微带贴片孔的中心轴线共线。

如上所述的下层基板和上层基板通过四个塑料安装螺柱紧密连接，塑料安装螺柱与下层微带贴片以及上层微带贴片最小的安全距离为5mm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、一般的双频微带北斗天线通过两路端口分别对不同的微带辐射单元进行激励，从而产生两个谐振工作频段，本发明双频圆极化微带北斗天线只需要一路端口激励，通过耦合馈电，产生两个谐振工作频段。与一般的双频微带北斗天线相比，天线更加轻巧简便；上层耦合微带贴片对下层微带贴片有引向作用，下层微带贴片对上层微带辐射天线有隔离拉伸作用，天线在两个工作频段，低仰角度增益更高，轴比指标更好。

2、本发明天线选择合适的微带贴片尺寸，减小了两微带贴片之间的电磁能量耦合，两层贴片之间没有引入空气层，天线尺寸紧凑，易于加工生产。具有结构轻巧简便、增益高、轴比好的优点。

附图说明

图1为本发明的天线结构顶视图；

图2为本发明的天线结构侧视图；

图3为本发明的天线结构三维图。

图中：1-金属接地层；2-下层基板；3-下层微带贴片；4-下层微带贴片孔；5-上层基板；6-上层微带贴片；7-同轴馈电探针；8-塑料安装螺柱；9-馈线屏蔽层；10-同轴线内介质；11-贯通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种双频圆极化微带北斗天线，包括同轴馈电探针7，还包括下层基板2和设置在下层基板2上的上层基板5，下层基板2的底面设置有金属接地层1，下层基板2的顶面设置有下层微带贴片3，上层基板5的顶面设置有上层微带贴片6，下层微带贴片3上设置有下层微带贴片孔4，贯通孔11依次贯穿上层基板5、下层微带贴片孔4、下层基板2和金属接地层1，贯通孔11内设置有同轴馈电探针7，同轴馈电探针7的顶端与上层微带贴片6连接，同轴馈电探针7的底端与金属接地层1之间设置有同轴线内介质10，同轴线内介质10外套设有与金属接地层1连接的馈线屏蔽层。

天线采用微带贴片层叠结构，包括下层微带贴片3、上层微带贴片6和金属接地层1，上层微带贴片6辐射B1频段，下层微带贴片3辐射B3频段，下层微带贴片3同时充当上层微带贴片6的接地板，下层微带贴片3和上层微带贴片6之间为介质基板5。馈电方式结合了探针直接馈电和孔径耦合馈电，下层微带贴片3上开设有下层微带贴片孔4，同轴馈电探针7依次穿过下层基板2、下层微带贴片孔4、上层基板5直接馈电到上层微带贴片6，同轴馈电探针7通过同轴线内介质10与金属接地层1断路隔离，馈线屏蔽层9与金属接地层1共地连接。而下层微带贴片3由馈电探针7通过的贯通孔11耦合电磁波进行馈电。贯通孔11的轴线、下层微带贴片孔4的中心轴线、馈电针7的轴线共线，直接从下层基板2打穿至上层基板5，贯通孔11大小直接影响电磁能量的耦合程度。由于天线工作于双频，且通过单点耦合馈电实现，下层微带贴片3和上层微带贴片6尺寸不能太接近，否则将会引起较强的耦合，而使得两天线不能良好地工作，即下层微带贴片3和上层微带贴片6尺寸应尽量拉开。

方形微带贴片的边长L与其对应工作频段f关系由下式给出：

$f=\frac{c}{2(L+\mathrm{\Δ}l)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}---\left(1\right)$

其中，c为光在真空中的传播速度，L为方形微带贴片的边长，Δl是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度，ε_r为基板材料的相对介电常数。

为实现天线圆极化工作，分别在上层微带贴片6和下层微带贴片3的对角上进行切角，切角尺寸大小跟天线的品质因数相关。上层微带贴片6和下层微带贴片3为方形，方形微带贴片固有的结构上的对称性有利于改善天线的轴比指标，并且与圆形微带贴片天线相比，方形微带贴片天线的辐射方向图波瓣更宽、效率更高、带宽性能更好。

调节同轴馈电探针7的位置，使天线在所需频率处谐振，获得一定的阻抗带宽；同时调整上层微带贴片6和下层微带贴片3的对角的切角的大小，激励出两个幅度相等，相位相差90度的正交谐振模式，两种模式电场简并叠加，天线即呈现圆极化工作状态。

实施例2：

在本实例中，下层基板2选用Taconic RF35板材，介电常数ε_r＝3.5，介质损耗正切角tanσ＝0.0018，下层基板2的厚度H1＝1.5mm，贯通孔11直径D4＝1.5mm。考虑到成本和加工便宜性，上层基板5选用Taconic RF35板材，介电常数ε_r＝3.5，介质损耗正切角tanσ＝0.0018，上层基板5的厚度H2＝1.5mm。本申请中的基板上铜箔厚度均为1盎司，即金属接地层1、上层微带贴片6和下层微带贴片3的厚度为1盎司。下层基板2为正方形，L1＝W1＝70mm，即下层基板2的边长为70mm的正方形；考虑天线整体对称平衡性和加工一致性，上层基板5也为正方形，L2＝W2＝60mm，即上层基板5的边长为60mm的正方形；下层微带贴片3为边长L3为46.8mm的正方形贴片切除对角，下层微带贴片3的切除的对角均为直角边C3为3.2mm的等边直角三角形；下层微带贴片孔4的直径D3为2.8mm，下层微带贴片3所在正方形的其中一个边为下层微带贴片参照边，下层微带贴片孔4的中心位于下层微带贴片3的中心远离下层微带贴片参照边垂直偏移6.3mm的位置，如图1所示，下层微带贴片3和上层微带贴片6的中心垂线共线，下层微带贴片3和上层微带贴片6的对应的各边平行，贯通孔11的轴线、同轴馈电探针的轴线、下层微带贴片孔4的中心轴线共线，下层微带贴片孔4与下层微带贴片参照边之间的距离d3＝29.7mm；d3的距离决定天线的工作带宽和天线的轴比指标。上层微带贴片6为边长L4为37.6mm正方形贴片切除对角，上层微带贴片6的切除的对角均为直角边长C4为2.4mm的等边直角三角形；馈电探针7穿过下层微带贴片孔4的圆心，透过下层基板2和上层基板5，连接到上层微带贴片6上。上层微带贴片6所在正方形的与下层微带贴片参照边同侧的一边为上层微带贴片参照边，同轴馈电探针7的中心轴线距上层微带贴片参照边的垂直距离d4＝25.1mm，上层微带贴片参照边与下层微带贴片参照边位置对应。下层基板2和上层基板5通过四个直径2mm的塑料安装螺柱(8-A、8-B、8-C、8-D)紧密连接在一起。为保证微带贴片辐射效率，塑料安装螺柱与下层微带贴片3、上层微带贴片6最小为安全距离为5mm，本实施例设为8mm。其他与实施例1相同。

按照以上的设计，对本发明的实物在微波暗室进行测试，测试结果如下：

1.在B1工作频段(1561.098±2.046MHz)内驻波比＜1.5；在1555～1600MHz频段内，驻波比＜2.0，驻波带宽能同时覆盖北斗B1、GPS L1、GLONASS和GALILEO频段。

2.在B3工作频段(1268.52±10.23MHz)内的驻波比＜1.5；在1255～1280MHz频段内，驻波比＜1.8。

3.在B1工作频段内，天线轴比AR＜8dB，天线增益5.8dBi，20°仰角增益＞-3dBi，交叉极化比＜-14dB。

4.在B3工作频段内，天线轴比AR＜6dB，天线增益5.6dBi，20°仰角增益＞-2dBi，交叉极化比-14dB。

由以上测试结果可以看出，该双频圆极化微带北斗天线工作频段覆盖北斗导航B1(1561.098±2.046MHz)频段和B3(1268.52±4.08MHz)频段。孔径耦合馈电方式在一定程度上扩宽了低频处的阻抗带宽。合理地对微带贴片进行切角，能保证天线在上半空间内都具有良好的轴比特性。调整上下层基板的间距和位置，能够很好的抑制天线的交叉极化电平。该天线在所需段内获得了良好的增益性能。这归功于低损耗介质的选用以及耦合孔径的合理选取，电磁能量有效辐射。由于采用单点馈电方式，天线两微带贴片之间的隔离度不能直接获取，通过查取两微带贴片上的电磁能量并进行计算，得出两微带贴片之间的隔离度约为15.8dB。

对于一般的双频微带北斗天线而言，需要两路同轴探针直接馈电，存在链路多，体积大的缺陷。而本发明结合同轴探针直接馈电和孔径耦合馈电方式，采用双层贴片结构，最终突破了这一缺陷，设计出一副各个性能指标都优越的双频圆极化微带北斗天线。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。