一种多频兼容叠层微带天线的制作方法
【专利摘要】一种多频兼容叠层微带天线，涉及一种叠层耦合结构的微带天线。设有上下层介质基板、上下层金属贴片和接地板；上下层介质基板上表面敷有金属贴片，上下层金属贴片的外形均呈正方形，上层金属贴片设有L形缝隙嵌套环阵列结构及4个矩形凹槽，L形缝隙嵌套环阵列结构设有4个L形缝隙嵌套环，4个矩形凹槽对称设于上层金属贴片的4条边的中部由上层金属贴片的边沿径向向心延伸，上层金属贴片形成类分形结构；下层金属贴片设有耦合孔阵分布加载结构和4个矩形窄缝，耦合孔阵分布加载结构设于靠近下层金属贴片4个侧边且呈对称设置，4个矩形窄缝设于下层金属贴片的4个直角处由角部径向向心延伸，下层金属贴片形成类四叶草形结构。
【专利说明】一种多频兼容叠层微带天线
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种叠层耦合结构的微带天线，尤其是涉及可兼容GPS及北斗导航系 统工作频段，带耦合孔阵列分布加载结构的L形嵌套环阵列的一种多频兼容叠层微带天 线。
【背景技术】
[0002] 自从我国的北斗卫星导航系统（BDS)正式建成以来，它在国民经济的各个领域和 军事应用中发挥着越来越大的作用。北斗导航系统是我国自主研发的卫星定位导航系统， 它满足了我国的经济发展和国防建设的需要，对于促进我国的卫星导航事业的发展具有重 大的意义。近年来，国家高度重视建设拥有自主知识产权基于北斗卫星导航系统的各种终 端应用系统，广大科研工作者也为推动和发展此领域的应用进行不懈的探索和实践。目前 卫星导航定位技术己成为人类活动中普遍采用的导航定位技术，拥有这种技术，就会在外 交、经济和军事上占据主动地位，获取巨大的利益。
[0003] 天线在卫星导航定位系统中是不可或缺的关键部件，应用于卫星导航终端设备的 天线种类很多，按天线本身的结构形式可以分为：振子天线、开槽天线、螺旋天线、微带天线 及由这些天线组成的阵列天线等，由于微带天线具有体积小、低剖面、可共形、设计灵活、馈 电简单、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点，因此被广泛应用于各种通信设备及卫 星导航定位系统中。但微带天线也有一些固有的缺点，比如频带窄、辐射效率低等。经过众 多学者广泛深入的研究，采用了许多途径来克服或者减少上述缺点的影响，例如附加寄生 辐射单元的共面结构或叠层耦合结构等方法。其中，叠层耦合结构的微带天线在继承传统 微带天线优点的基础上，有效地利用了传统微带天线薄的平面结构的特点，其最大的优势 就在于几乎不额外增加天线面积的情况下，易于实现多频段兼容。但是叠层微带天线的结 构复杂，层间的电磁耦合量难以控制，往往在基板的介电常数、厚度和大小以及贴片的图案 确定后，整个天线的性能参数也会固定下来。如果改变任意一个参数，天线的整体性能都会 发生非常大的变化，并且这种变化往往会是叠层天线的参数恶化。
[0004] 如何克服现有叠层耦合结构的微带天线的缺点已成为十分重要的研发课题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有叠层耦合结构的微带天线的缺点，提供可以微调天线 固有频率的覆盖范围，同时优化天线的辐射和加强天线的方向性，实现兼容北斗双频及GPS 系统Q频段的特性，达到北斗卫星与GPS导航等卫星通信系统对天线的要求的一种多频兼 容叠层微带天线。
[0006] 本发明设有上层介质基板、下层介质基板、上层金属贴片、下层金属贴片和接地 板；
[0007] 下层介质基板的外形尺寸大于上层介质基板的外形尺寸，上层介质基板的上表面 敷有上层金属贴片，下层介质基板的上表面敷有下层金属贴片，敷有金属层的上下两层介 质基板叠加紧密相连；上层金属贴片和下层金属贴片的外形均呈正方形，上层金属贴片设 有L形缝隙嵌套环阵列结构及4个矩形凹槽，所述L形缝隙嵌套环阵列结构设有4个L形 缝隙嵌套环，4个L形缝隙嵌套环对称分别设于上层金属贴片的4个角部，所述4个矩形凹 槽对称设于上层金属贴片的4条边的中部由上层金属贴片的边沿径向向心延伸，上层金属 贴片形成类分形结构；下层金属贴片设有耦合孔阵分布加载结构和4个矩形窄缝，所述耦 合孔阵分布加载结构设于靠近下层金属贴片4个侧边且呈对称设置，所述4个矩形窄缝设 于下层金属贴片的4个直角处由角部径向向心延伸，下层金属贴片形成类四叶草形结构； 下层介质基板的下表面敷有导体作为接地板；所述上层金属贴片设有1个馈电点，所述下 层金属贴片设有2个馈电点，3个馈电点均通过导体分别与设于接地板上的3个馈电接头中 的1个连接。
[0008] 所述上层介质基板和下层介质基板采用介电常数可为4?8的FR4材料，厚度可 为2?4mm η
[0009] 所述上层介质基板的边长可为30?40mm ;所述上层金属贴片的边长可为20? 25mm ;所述矩形凹槽的长边边长可为4?8mm，短边边长可为0· 5?1mm。
[0010] 所述L形缝隙嵌套环可由内外2个L形环隙构成，内外2个L形环隙均为等边长 和等宽度的L形环隙；内外2个L形环隙的宽度均为0. 5?1mm，内L形环隙的边长分别 为1. 0?2. (torn、2. 5?3. 5謹和4?5謹；外L形环隙的边长分别为2. 5?3. 5謹、4. 0? 5. 0mm和7?8mm,内L形环隙与外L形环隙之间的距离为0. 5?0. 8_。
[0011] 所述馈电点结构可为空心圆柱，空心圆柱的半径为0. 60mm±0. 01mm。
[0012] 所述窄边矩形缝隙的边长可分别为1?3mm和9?10mm。
[0013] 所述下层介质基板的边长可为40?60mm ;所述耦合孔阵分布加载结构中，每侧可 均为3层（3级）塔状阶梯式分布结构形式，其中外层加载13个耦合孔，中层加载11个耦 合孔，里层加载9个耦合孔，每个耦合孔均为正方形孔，边长为1. 0?2. 0_，每个耦合孔相 邻之间的距离为0. 5?1. 5mm。
[0014] 所述下层金属贴片设有1个圆形通孔，圆形通孔用于同轴线穿过向上层金属贴片 馈电，圆形通孔的半径为1?2_，圆形通孔中心距离下层金属贴片中心1?5_。
[0015] 所述接地板最好为正方形板，边长为60?80mm，在接地板上对称设有4个阵列构 成的EBG结构，每个阵列由4X4个正方形孔构成，每个正方形孔的边长为4?6mm，各阵列 中的相邻正方形孔的间距为1. 5?2. 5mm，相邻阵列的间距为7?9mm。
[0016] 所述下层金属贴片与接地板之间最好设有短路钉。短路钉不仅有助于实现天线小 型化，而且能够改善天线的阻抗匹配。
[0017] 所述上层金属贴片、下层金属贴片和接地板的材料可优选铜、银等良导体材料
[0018] 与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：
[0019] 引入塔状阶梯式分布加载的方形耦合孔阵可以微调固有频率的覆盖范围，同时优 化天线的辐射和加强天线的方向性；而引入4个矩形凹槽形成的类分形结构和加载L形嵌 套环阵列，可以有效地延长电流路径，有助于实现天线的小型化。由于采用叠层耦合三馈 电结构，实现了三频特性，而且具有较高的三频隔离度。下层金属贴片短路钉的引入不仅 有助于实现天线小型化，而且能够改善天线的阻抗匹配，本发明涉及的天线可满足北斗天 线尺寸小、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要求，而且兼容 了 GPS系统的频段。为了覆盖GPS系统工作频段以及北斗导航系统L和S两个工作 频段。本发明的设计频率为三频，其频段分别为1. 551?1. 598GHz，1. 591?1. 650GHz与 2. 451?2. 532GHz。覆盖了 GPS系统Q工作频段以及北斗导航系统L和S两个工作频段。
[0020] 由此可见，本发明采用叠层耦合三馈电结构，可实现北斗系统双频及GPS系统Q 频段三频兼容特性，而且具有较高的三频隔离度。由于上层贴片采用了类分形结构、L形嵌 套环阵列结构和下层贴片采用了四叶草状贴片形状，使天线的尺寸得到一定程度的缩小。 此外，下层贴片引入三级阶梯式分布加载的耦合孔阵，可以微调天线固有频率的覆盖范围， 同时优化天线的辐射和加强天线的方向性，可达到北斗卫星与GPS导航等卫星通信系统对 天线的要求。本发明可按要求覆盖北斗卫星系统和GPS系统的多个频段，并通过耦合孔阵 的可调控性微调固有频率的覆盖范围，同时优化天线的辐射，加强天线的方向性。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例的结构示意图（剖视）。
[0022] 图2为本发明实施例的上层金属贴片结构示意图。
[0023] 图3为本发明实施例的下层金属贴片结构示意图。
[0024] 图4为本发明实施例的接地板结构示意图。
[0025] 图5为本发明实施例的1. 571GHz回波损耗（Sn)性能图。在图5中，横坐标表示 频率 Frequency (GHz)，纵坐标表不回波损耗强度 The return loss of the Antenna (dB)。
[0026] 图6为本发明实施例的1. 620GHz回波损耗（S22)性能图。在图6中，横坐标表示 频率 Frequency (GHz)，纵坐标表不回波损耗强度 The return loss of the Antenna (dB)。
[0027] 图7为本发明实施例的2. 491GHz回波损耗（S33)性能图。在图7中，横坐标表示 频率 Frequency (GHz)，纵坐标表不回波损耗强度 The return loss of the Antenna (dB)。
[0028] 图8为本发明实施例用于GPS导航系统Q频段1. 571GHz的E面方向图。在图8 中，坐标为极坐标。
[0029] 图9为本发明实施例用于GPS导航系统Q频段1.571GHz的Η面方向图。在图9 中，坐标为极坐标。
[0030] 图10为本发明实施例用于北斗导航系统L频段1.620GHz的Ε面方向图。在图10 中，坐标为极坐标。
[0031] 图11为本发明实施例用于北斗导航系统L频段1.620GHz的Η面方向图。在图11 中，坐标为极坐标。
[0032] 图12为本发明实施例用于北斗导航系统S频段2. 491GHz的Ε面方向图。在图12 中，坐标为极坐标。
[0033] 图13为本发明实施例用于北斗导航系统S频段2. 491GHz的Η面方向图。在图13 中，坐标为极坐标。
【具体实施方式】
[0034] 以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
[0035] 参见图1?4,本实施例设有上层介质基板11、下层介质基板12、上层金属贴片Α、 下层金属贴片Β和接地板C。
[0036] 所述下层介质基板12的外形尺寸大于上层介质基板11的外形尺寸，上层介质基 板11的上表面敷有上层金属贴片A，下层介质基板的上表面敷有下层金属贴片B，敷有金属 层的上下两层介质基板叠加紧密相连。上层金属贴片A和下层金属贴片B的外形均呈正方 形，上层金属贴片A设有L形缝隙嵌套环阵列结构及4个矩形凹槽3,所述L形缝隙嵌套环 阵列结构设有4个L形缝隙嵌套环2,4个L形缝隙嵌套环2对称分别设于上层金属贴片A 的4个角部，所述4个矩形凹槽3对称设于上层金属贴片A的4条边的中部由上层金属贴 片A的边沿径向向心延伸，上层金属贴片A形成类分形结构。下层金属贴片B设有耦合孔 阵分布加载结构和4个矩形窄缝9,所述耦合孔阵分布加载结构设于靠近下层金属贴片B的 4个侧边且呈对称设置，所述4个矩形窄缝9设于下层金属贴片B的4个直角处由角部径 向向心延伸，下层金属贴片B形成类四叶草形结构。下层介质基板12的下表面敷有导体作 为接地板C ;所述上层金属贴片A设有1个馈电点，所述下层金属贴片B设有2个馈电点，3 个馈电点均通过导体分别与设于接地板C上的3个馈电接头1、5和7中的1个连接。
[0037] 所述上层介质基板11和下层介质基板12采用介电常数为4?8的FR4材料，厚 度为2?4mm。
[0038] 所述上层介质基板11的边长为30?40mm ;所述上层金属贴片A的边长为 24. 60mm ;所述矩形凹槽的长边边长为6. 4mm，短边边长为0. 8mm。
[0039] 所述L形缝隙嵌套环由内外2个L形环隙构成，内外2个L形环隙均为等边长和等 宽度的L形环隙；内外2个L形环隙的宽度均为0· 72mm，内L形环隙的边长分别为1. 8mm、 2. 90mm和4. 50mm ;外L形环隙的边长分别为2. 80mm、4. 50mm和7. 50mm，内L形环隙与外L 形环隙之间的距离为0. 68mm。
[0040] 所述馈电点1、5和7的结构为空心圆柱，空心圆柱的半径为0. 60mm±0. 01mm。
[0041] 所述窄边矩形缝隙9的边长分别为2mm和10mm。
[0042] 所述下层介质基板12的边长为42mm ;所述下层金属贴片B的耦合孔阵分布加载 结构中，每侧均为3层（3级）塔状阶梯式分布结构形式，其中外层加载13个耦合孔，中层 加载11个耦合孔，里层加载9个耦合孔，每个耦合孔均为正方形孔，边长为1. 6_，每个耦合 孔相邻之间的距离为1. 〇mm，里层的耦合孔内侧边沿与下层金属贴片B的间距为12. 5mm。
[0043] 所述下层金属贴片B设有1个圆形通孔4,同轴线1通过圆形通孔4向上层金属贴 片A馈电，圆形通孔4的直径为3_，圆形通孔4中心距离下层金属贴片B中心5_。
[0044] 所述接地板C最好为正方形板，边长为70mm，在接地板C上对称设有4个阵列构成 的EBG结构，每个阵列由4X4个正方形孔10构成，每个正方形孔10的边长为4. 80mm，各阵 列中的相邻正方形孔的间距为1. 80mm，相邻阵列的间距为8. 00mm。
[0045] 所述下层金属贴片B与接地板C之间设有短路钉6。短路钉6不仅有助于实现天 线小型化，而且能够改善天线的阻抗匹配。
[0046] 参见图5?7,天线的工作频段为：GPS系统Q频段1.551?1. 598GHz，北斗系统L 频段1. 595?1. 643GHz以及北斗系统S频段2. 451?2. 532GHz。在这三个工作频段内天 线的回波损耗（Sn)都在-10dB以下，在GPS系统Q频段内的最小回波损耗为-23. 617dB，在 北斗导航系统L频段内的最小回波损耗为-38. 612dB，在北斗导航系统S频段内的最小回波 损耗为-29. OlOdB。本发明天线在GPS系统Q频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0. 047GHz 与2. 99% ;在北斗系统L频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0. 048GHz与2. 96% ;在北斗 系统S频段的绝对带宽与相对带宽分别为：0. 081GHz与3. 25%，总体性能优于一般的贴片 微带天线，并且可以很好地兼容GPS导航系统及北斗导航系统的工作频段。
[0047] 参见图8?13,其中图8和图9为GPS系统Q频段工作频点1. 571GHz的E面图 和Η面图，图10和图11为北斗导航系统L频段工作频点1.620GHz的E面图和Η面图，图 12和图13为北斗导航系统S频段工作频点2. 491GHz的Ε面图和Η面图。结果表明本实施 例所述微带天线具有定向辐射特性，可以满足卫星通信系统的要求。
[0048] 参见表1，表1给出了本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况。
[0049] 表 1
[0050]
【权利要求】
1. 一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，设有上层介质基板、下层介质基板、上层 金属贴片、下层金属贴片和接地板； 下层介质基板的外形尺寸大于上层介质基板的外形尺寸，上层介质基板的上表面敷有 上层金属贴片，下层介质基板的上表面敷有下层金属贴片，敷有金属层的上下两层介质基 板叠加紧密相连； 上层金属贴片和下层金属贴片的外形均呈正方形，上层金属贴片设有L形缝隙嵌套环 阵列结构4个矩形凹槽，所述L形缝隙嵌套环阵列结构设有4个L形缝隙嵌套环构成，4个 L形缝隙嵌套环对称分别设于上层金属贴片的4个角部，所述4个矩形凹槽对称设于上层 金属贴片的4条边的中部由上层金属贴片的边沿径向向心延伸，上层金属贴片形成类分形 结构；下层金属贴片设有耦合孔阵分布加载结构和4个矩形窄缝，所述耦合孔阵分布加载 结构设于靠近下层金属贴片4个侧边且呈对称设置，所述4个矩形窄缝设于下层金属贴片 的4个直角处由角部径向向心延伸，下层金属贴片形成类四叶草形结构；下层介质基板的 下表面敷有导体作为接地板；所述上层金属贴片设有1个馈电点，所述下层金属贴片设有2 个馈电点，每个馈电点均通过导体与设于接地板上的3个馈电接头中的1个连接。
2. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述上层介质基板和 下层介质基板采用介电常数为4?8的FR4材料，厚度为2?4_。
3. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述上层介质基板的 边长为30?40mm ;所述上层金属贴片的边长为20?25mm ;所述矩形凹槽的长边边长为 4?8_，短边边长为0· 5?1_。
4. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述L形缝隙嵌套环 由内外2个L形环隙构成，内外2个L形环隙均为等边长和等宽度的L形环隙；内外2个L 形环隙的宽度均为〇· 5?1mm，内L形环隙的边长分别为1. 0?2. 0mm、2. 5?3. 5mm和4? 5mm ;外L形环隙的边长分别为2. 5?3. 5mm、4. 0?5. 0mm和7?8mm,内L形环隙与外L形 环隙之间的距离为0. 5?0. 8mm。
5. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述馈电点结构为空 心圆柱，空心圆柱的半径为〇· 60mm±0. 01mm。
6. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述窄边矩形缝隙的 边长分别为1?3謹和9?ICtam。
7. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述下层介质基板的 边长为40?60mm ;所述耦合孔阵分布加载结构中，每侧均为3层塔状阶梯式分布结构形 式，其中外层加载13个耦合孔，中层加载11个耦合孔，里层加载9个耦合孔，每个耦合孔均 为正方形孔，边长为1. 〇?2. 0mm，每个稱合孔相邻之间的距离为0. 5?1. 5mm。
8. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述下层金属贴片设 有1个圆形通孔，圆形通孔的半径为1?2mm，圆形通孔中心距离下层金属贴片中心1? 5mm 〇
9. 如权利要求1所述一种多频兼容叠层微带天线，其特征在于，所述接地板为正方形 板，边长为60?80mm，在接地板上对称设有4个阵列构成的EBG结构，每个阵列由4X4个 正方形孔构成，每个正方形孔的边长为4?6mm，各阵列中的相邻正方形孔的间距为1. 5? 2. 5mm,相邻阵列的间距为7?9mm。
【文档编号】H01Q1/38GK104241827SQ201410476915
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月18日 优先权日:2014年9月18日
【发明者】周建华, 陈婧薇, 李坚, 游佰强, 李 杰, 徐伟明, 叶啸海 申请人:厦门大学