一种空心圆形双频单层微带天线的制作方法

本发明属于卫星导航技术领域，特别是涉及一种空心圆形双频单层微带天线。用于北斗卫星导航系统，也适用于包括美国的GPS系统、欧洲的伽利略系统、俄罗斯的GLONASS系统在内的各种导航卫星系统。

背景技术：

北斗卫星导航系统是继美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之后第三个成熟的卫星导航系统。受北斗导航卫星轨道影响，在中国陆地上使用卫星导航接收机，北斗系统大部分卫星分布在俯仰角15度到75度之间。因此理想的接收天线在俯仰角15度到75度之间增益最强。而目前的微带天线都是俯仰角90度方向增益最强，低俯仰角方向增益较弱，导致卫星导航接收机接收低仰角卫星信号较弱。提高天线低仰角增益，进而提高低仰角卫星的信号，能够显著的提高导航设备定位精度，特别是需要高精度定位的卫星导航应用领域。

目前测绘、监控等领域对导航接收机提出了厘米级的定位精度要求。双频点卫星导航接收机可以同时工作在两个频点，可以通过消除电离层误差，提高定位精度。但目前的双频点微带天线多采用两块介质板叠层的形式，因此双频点微带天线往往较厚，不能适应对尺寸要求严格的应用。

技术实现要素：

本发明针对目前微带天线低仰角增益较低，双频叠层微带天线较厚等不足，提出一种空心圆形双频单层微带天线，通过去掉微带天线中心的部分金属部分，使得微带天线中空，在不增加天线的厚度的情况下，实现双频点辐射；还可以显著提高低仰角增益。

本发明的技术方案是：

1.一种空心圆形双频单层微带天线，其特征在于，包括金属辐射板、介质基板和金属反射底板，所述金属辐射板和金属反射底板分别设置于介质基板的上面和下面；所述金属辐射板是挖掉中心圆形区域的空心金属辐射板，使得表面电流沿着空心区域边沿流动，通过改变电流路径实现辐射或接收高频频点和低频频点两个工作频点的电磁波信号；在金属辐射板上设置同轴馈电点，用于连接馈线，馈入电磁波信号。

2.所述金属反射底板设置于介质基板的下表面，或距离介质基板的下表面有一定的距离。

3.所述金属辐射板设置于介质基板的上表面。

4.所述金属辐射板上设置两个同轴馈电点，用于实现圆极化；首先使用功率分配器将电磁信号等幅同相分为两路，其中一路连接一个馈电点，另一路经过90度移相器后，连接另外一个馈电点；等幅同相的电磁信号，经过相移网络后分别到达两个馈电点，在两个馈电点之间形成90度相位差。

5.所述金属辐射板的形状为圆环形，圆环外圆半径约为内圆半径约为外圆半径的五分之一；其中，λ为低频频点的电磁波信号在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数。

6.所述两个馈电点到圆环中心点的距离一般为其中，λ为低频频点的电磁波信号在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数；通过调整馈电点到圆环中心点的距离，来调整天线的阻抗，调整范围一般不超过±20％。

7.所述介质基板的厚度范围选择在0.01λ～0.1λ之间，以提高天线的辐射效率和工作带宽。

8.所述介质基板的形状为圆形，也可以是圆环形，即去掉中心区域的介质基板；介质基板的面积一般应大于金属辐射板的面积。

9.所述微带天线的两个工作频点的频率可以通过调整介质基板的介电常数或金属辐射板的尺寸同时进行调整；介电常数增加，两个频点的频率会同时降低，介电常数减小，两个频点的频率会同时升高；等比例减小金属辐射板圆环内外半径，两个频点的频率同时升高，等比例增加圆环内外半径，两个频点的频率同时降低。

本发明的技术效果：

本发明提出的一种空心圆形双频单层微带天线，具有以下特点：

1.普通双频微带天线，采用叠层方式，双频实现方法是由两个不同频点的天线上下叠在一起，因此天线厚度较厚。本发明提出的空心圆形双频单层微带天线，通过去掉单层微带天线中心的部分金属部分，使得微带天线中空，使得表面电流沿着空心区域边沿流动，改变电流路径，在不增加天线的厚度的情况下，实现双频点辐射。

2.普通微带天线的法向方向，即俯仰90度增益最高，天线增益随俯仰角变低逐渐降低。本发明提出的空心圆形双频单层微带天线可以显著提高低仰角增益。本发明提出的空心圆形双频单层微带天线的尺寸是一个波长，和普通半波长微带天线相比，全波长的微带天线，电场分布形成完整周期，因此低仰角增益较高。提高了天线低仰角增益，进而提高低仰角卫星的信号，能够显著的提高导航设备定位精度，特别是需要高精度定位的卫星导航应用领域。

3.本发明的空心圆形双频单层微带天线是圆极化天线，实现圆极化的方式是使用双馈电点方案，通过功率分配和相移网络实现圆极化。在金属辐射板上设置两个馈电点，首先使用功率分配器将电磁信号等幅同相分为两路，其中一路连接一个馈电点，另一路经过90度移相器后，连接另外一个馈电点。等幅同相的电磁信号，经过相移网络后在两个馈电点之间形成90度相位差。可以用左右手定则判断是极化左旋还是右旋。

附图说明

图1为本发明空心圆形双频圆极化单层微带天线结构示意图。

图2为本发明空心圆形双频圆极化单层微带天线S参数图。

图3为本发明空心圆形双频圆极化单层微带天线低频频点方向图。

图4为本发明空心圆形双频圆极化单层微带天线高频频点方向图。

附图标记列示如下：1-金属反射底板，2-馈电点，3-介质基板，4-金属辐射板，5-空心区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明实施例的空心圆形双频圆极化单层微带天线实施例结构示意图。

包括金属辐射板4、介质基板3和金属反射底板1；金属辐射板4和金属反射底板1分别设置于介质基板3的上面和下面；金属辐射板4是挖掉中心圆形区域5的空心金属辐射板，使得表面电流沿着空心区域边沿流动，通过改变电流路径实现辐射或接收高频频点和低频频点两个工作频点的电磁波信号；在金属辐射板4上设置同轴馈电点2，用于连接馈线，馈入电磁波信号。本实施例的金属辐射板为圆环形，介质基板3为和金属反射底板1为圆形，金属反射底板1设置于介质基板3的下表面，也可以距离介质基板3的下表面有一定的距离；金属辐射板4设置于介质基板3的上表面，金属辐射板4和介质基板3可以在金属反射底板1的边角、中心或任何地方。本实施例中，金属辐射板4和介质基板3位于金属反射底板1的中心。本实施例的圆环形金属辐射板4的外圆半径约为内圆半径约为外圆半径的五分之一，其中，λ为低频频点的电磁波信号在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数。本实施例的空心圆形双频单层微带天线通过使用双馈电点实现圆极化。在金属辐射板4上设置两个馈电点，首先使用功率分配器将电磁信号等幅同相分为两路，其中一路连接一个馈电点，另一路经过90度移相器后，连接另外一个馈电点，等幅同相的电磁信号，经过相移网络后在两个馈电点之间形成90度相位差。判断极化左旋还是右旋的办法，可以用左右手定则：首先是将拇指指向电磁波的传播方向，即天线的法向方向，再将相位超前的馈电点指向相位滞后的馈电点，馈电点指向和右手四指弯曲指向一致的辐射右旋圆极化波，馈电点指向和左手四指弯曲指向一致的辐射左旋圆极化波。本实施例设置在圆环形金属辐射板4上的两个馈电点到圆环中心点的距离一般都为其中，λ为低频频点的电磁波信号在自由空间中的一个波长，ε为介质基板的介电常数；两个馈电点和圆环中心点的连线相互垂直；通过调整馈电点到圆环中心点的距离，来调整天线的阻抗，调整的范围一般不超过±20％。

本实施例中的同轴馈电点2具体实施时，可使用SMA-KFD系列同轴连接器，将SMA接头固定在金属反射底板1上面，并将SMA-KFD同轴连接器的信号芯，穿过介质基板3和金属辐射板4焊接在一起。本发明可使用多种同轴连接器，这里只是用SMA-KFD系列举例说明具体安装方式，并不限于SMA-KFD系列。

另外，还可以通过调整介质基板3的介电常数调整金属辐射板4的尺寸，介质基板3可以选择高介电常数材料，以减小所述微带天线辐射板的尺寸。并且介质基板3的厚度也影响天线的辐射效率和工作带宽，本实施例介质基板厚度范围选择在0.01λ～0.1λ之间，以提高天线的辐射效率和工作带宽。介质基板的的形状可以是圆形，也可以是圆环形，即去掉中心区域的介质基板。介质基板的面积一般应大于金属辐射板的面积。

此外，通过调整金属辐射板的尺寸和介质基板的介电常数，可以同时调整所述空心圆形双频单层微带天线的高频频点和低频频点，双频天线可以工作在任何卫星导航频点。介质基板的介电常数增加，两个频点的频率会同时降低；介质基板的介电常数减小，两个频点的频率会同时升高。调整金属辐射板尺寸是通过等比例调整圆环内外半径来实现，等比例减小金属辐射板圆环内外半径，两个频点的频率同时升高；等比例增加圆环内外半径，两个频点的频率同时降低。

附图2为本发明的空心圆形双频圆极化单层微带天线的输入反射系数图。纵坐标代表馈电端口输入反射系数，横坐标是频率，函数曲线表示各个频率点上馈电端口输入反射系数。反射系数理想值等于负无穷，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时电磁波全部被天线辐射或接收。反射系数为0dB时，表示全反射，完全没有电磁波辐射或接收。工程上天线工作频点的反射系数一般要求小于-10dB。

附图3为本发明的空心圆形双频圆极化单层微带天线在低频频点的方向图。天线方向图是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强(归一化模值)随方向变化的图形，半径坐标(-40～10)表示天线增益，用dB表示，角度坐标表示天线辐射或接收电磁波的角度，函数曲线表示天线向各个方向辐射或接收电磁波能力的强弱，用dB表示。

附图4为本发明的空心圆形双频圆极化单层微带天线在高频频点的方向图。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。