基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其端口阻抗特性具有1.26GHz～1.73GHz的宽带工作能力，并且其圆极化工作频段能够涵盖GPS、北斗、GLONASS、伽利略的多个频点，天线有上层人工电磁媒质覆盖层和下层天线基板层，上层人工电磁媒质覆盖层是由小贴片阵列形成的电抗性阻抗表面所构成，下层天线基板的上表面铜箔镂空两条平面螺旋线，而在下层天线基板的下表面则采用分段微带线作为馈电线，上层人工电磁媒质覆盖层与下层天线基板层之间有塑料螺丝和螺母支起并隔开，本发明的天线具有宽带工作特性，能覆盖多个卫星导航工作频点，具有较高辐射增益，并且采用低成本易加工的简单双层结构实现。
【专利说明】基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种卫星导航天线，尤其涉及采用人工电磁媒质作为天线覆盖层并且采用带有螺旋缝隙的微带贴片作为天线辐射单元。
【背景技术】
[0002]当前卫星导航技术已经被广泛应用到工业生产、交通控制、防灾救灾、军事国防等方面，而且正在朝着多系统联合导航的方向发展。卫星导航系统正在向着多模全球卫星导航系统方向发展，能够同时兼容美国的⑶3、中国的北斗、俄罗斯的队0嫩33、欧洲的伽利略等制式。与之对应的，卫星导航终端里面负责信号收发的天线也要能够在多个卫星导航系统的工作频段上以圆极化方式工作，即向着多模卫星导航天线方向发展。
[0003]目前多模卫星导航天线的设计主要采用微带天线或者螺旋天线作为原型，加入了贴片裁剪、多点馈电、提高基底材料介电常数等技术来达到多频点工作、圆极化等卫星导航天线所需要的性能。但是采用金属天线和普通介质进行多模卫星导航天线的设计也存在掣肘，比如贴片天线的基底材料介电常数提升有限，加工难度随之增大；或是螺旋天线不易集成到移动式卫星导航终端；若是采用多点馈电结构，需要在天线中加入功率分配器和相移网络，使天线馈电结构复杂。总的来说卫星导航天线要同时满足圆极化、多频点、较高增益、结构简单和容易加工等多种要求是比较困难的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于解决现有卫星导航天线技术中的不足，采用人工电磁媒质作为天线覆盖层，提供兼容多个卫星导航频点的卫星导航天线，其具有宽频带工作、馈电方便和容易加工的优点。
[0005]本发明的目的通过以下技术方案实现:
[0006]本发明的宽带多模卫星导航天线由带有螺旋缝隙的微带贴片、人工电磁媒质覆盖层和馈电微带线构成。带有螺旋缝隙的微带贴片(3)在天线基板(1)的顶面，馈电微带线
(5)在天线基板(1)的底面。天线基板(1)由双面敷铜板构成，板材优选低介电常数高频复合材料。人工电磁媒质覆盖层(2)由单面敷铜板构成，板材优选低介电常数高频复合材料。
[0007]天线基板顶面的微带贴片上镂空了具有螺旋线形状的两条缝隙，分别为螺旋缝隙一〈111、螺旋缝隙二(12)。螺旋缝隙一(111螺旋缝隙二(12)分别以中心01、02绕行。随着绕行角度增加，螺旋缝隙一(111螺旋缝隙二(12)的绕行半径也逐渐增加。它们的绕行角度有450。，绕行之后形成螺旋线形状。螺旋缝隙?(11)的初始半径1*1大于螺旋缝隙二(12)的初始半径!'2。因此螺旋缝隙一(11)长度大于螺旋缝隙二(12),并且螺旋缝隙一
(11)包围了螺旋缝隙二(12)。螺旋缝隙一(11)的开槽宽度为界1，螺旋缝隙二(12)的开槽宽度为…，并且4 ?“。由于两条缝隙具有螺旋形状，可以使微带贴片上的表面电流出现旋转，从而辐射圆极化波。螺旋缝隙一(11)的长度、螺旋缝隙二(12)的长度与微带贴片基板介质中谐振场的电磁波频率？1、？2和波长X 1、X 2相对应。可以优选螺旋缝隙一(11)、螺旋缝隙二(12)的圆心位置01和02、初始半径!'1和!'2以及绕行角度等参数，使谐振场的电磁波频率与靠近，联合起来形成一个工作频段，从而扩展天线的圆极化工作带宽。
[0008]人工电磁媒质覆盖层(2)位于带有螺旋缝隙的微带贴片(3)的正上方，并且和带有螺旋缝隙的微带贴片(3)之间有空气相隔。人工电磁媒质覆盖层(2)是由介质基板构成，基板顶面有金属铜箔，而底面没有金属铜箔。对顶面金属铜箔蚀刻，使其表面剩下若干小矩形贴片，构成贴片阵列(4)。通常将这种贴片阵列称为电抗性阻抗表面，是人工电磁媒质的一种。通过设置小矩形贴片的长3和宽I可以使电抗性阻抗表面的谐振频率抑在带有螺旋缝隙的微带贴片(3)的谐振频率？1、？2之上，从而使整个天线同样可以在较低频率上达到谐振。这样可以扩展天线工作频带，使天线具有宽带工作特性。
[0009]天线基板⑴的底面蚀刻出分段微带线(5)作为整个天线的馈电线。分段微带线
(5)起始于天线基板(1)底面的一边，末端位于螺旋缝隙下方。分段微带线(5)在天线基板(1)底面一边的位置可以优选。
[0010]分段微带线(5)的两段宽度和长度可以优选。分段微带线(5)的微带线一(6)用于连接外部馈电端口，通过优选其宽度、长度可以使整个天线输入阻抗得到调整，方便天线端口匹配。分段微带线⑶的微带线二⑵延伸至螺旋缝隙一(11)、螺旋缝隙二(12)下方，通过优选其宽度、长度可以使天线基板(1)底面的分段微带线(5)和其顶面的带有螺旋缝隙的微带贴片(3)之间的电磁场耦合最佳，方便天线辐射性能的提升。
[0011]人工电磁媒质覆盖层(2)和天线基板(1)的四个角都钻了四个孔，这两层四个孔的平面位置相对应，这样可以使用塑料螺丝贯穿人工电磁媒质覆盖层(2)和天线基板(1)。可以在塑料螺丝上套上塑料螺母，用于保持天线基板(1)和人工电磁媒质覆盖层(2)平行，并且调整两层基板之间的间隔距离符合优选要求。
[0012]本发明与现有多模卫星导航天线相比，其有益效果是:由于采用人工电磁媒质覆盖层(2)，天线阻抗频带覆盖1.266--1.73(^2，具有很宽的工作频段；天线圆极化工作频段能够覆盖现有四个全球卫星导航系统的工作频点，使其适应各个卫星导航系统对终端天线的要求；人工电磁媒质覆盖层(2)使天线增益较高，在整个宽带工作频段内达到5(18以上增益；天线仅含有天线基板(1)和人工电磁媒质覆盖层(2)这两层介电常数较低的基板，采用传统电路板工艺即可完成加工，制造简单、成本较低；馈电微带线(5)采用单条分段微带线，馈电结构简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1所示为基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线整体结构图
[0014]图2所示为基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线下层天线基板顶面尺寸图
[0015]图3所示为下层天线基板底视图
[0016]图4所示为上层人工电磁媒质覆盖层顶视图
[0017]图5所示为下层天线基板顶面表面电流流向示意图
[0018]图6为根据本发明一实施例的基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线所测试的电压驻波比随频率变化曲线图
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图及对本发明的具体实施方法做进一步说明:
[0020]本发明所提供的基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线的设计思路是:在天线基板1的顶面敷铜上镂空两条螺旋缝隙，形成带有螺旋缝隙的微带贴片3。在天线基板1的底面蚀刻出一条分段微带线5，形成对天线基板1顶面带有螺旋缝隙的微带贴片3的耦合馈电，使其能够在较宽频段内辐射圆极化电磁波。在人工电磁媒质覆盖层2基板顶面敷铜上蚀刻出小贴片阵列4，使其称为电抗性阻抗表面并且构成天线的人工电磁媒质覆盖层2。此人工电磁媒质覆盖层2能够影响天线的端口阻抗特性，使天线工作带宽扩展，并且提高天线在工作带宽内的辐射增益。
[0021]图1为根据本发明一实施例的基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线的示意图。如图1所示，根据本发明一实施例的天线，包括天线基板1和人工电磁媒质覆盖层2。天线基板1的顶面是带有螺旋缝隙的微带贴片3，天线基板1的底面是分段微带线5。人工电磁媒质覆盖层2仅有顶面的单面敷铜，在顶面蚀刻出了小贴片阵列4，它们形成电抗性阻抗表面，是人工电磁媒质的一种。在人工电磁媒质覆盖层2和天线基板1的四个角都钻了四个孔，它们的平面位置相对应。用四个塑料螺丝贯穿上下层的四对孔。用塑料螺母固定天线基板1和人工电磁媒质覆盖层2，确保人工电磁媒质覆盖层2正对地覆盖到天线基板1上方，并且两层基板互相平行。两层基板之间的空气距离按照优选设置。
[0022]图2为根据本发明一实施例的天线基板1顶面的带有螺旋缝隙的微带贴片3。在天线基板1顶面的铜箔上镂空两条螺旋缝隙，分别为螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12。螺旋缝隙一 11具有原点01。螺旋缝隙一 11从距离原点01半径为1*1的位置开始绕行。随着绕行角度增加，螺旋线半径逐渐增大。当绕行角度为450。时，绕行结束。螺旋缝隙一 11的宽度为4。螺旋缝隙二 12，具有原点02。螺旋缝隙二 12从距离原点02半径为1*2的位置开始绕行。随着绕行角度增加，螺旋线半径逐渐增大。当绕行角度为450。时，绕行结束。螺旋缝隙二 12的宽度为旧。本发明的螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12不限于具体原点位置、宽度、绕行角度和绕行方向。螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12分别决定了天线基板1中电磁场的谐振频率？1、？2。由于缝隙的螺旋绕行，可以使微带贴片上的表面电流出现旋转，从而辐射圆极化波。通过优选螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12的原点01、02，初始半径!'1、1~2，宽度4、旧和绕行角度，可以使带有螺旋缝隙的微带贴片3在宽频段内辐射圆极化电磁波，并且能够涵盖⑶3、北斗、队0嫩33、伽利略的多个频点。
[0023]图3为根据本发明一实施例的天线基板1底面的分段微带线5。分段微带线5从天线基板1底面的一边开始，延伸到螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12下方，延伸长度可以优选。分段微带线5包括两段相连的微带线，分别为微带线一 6、微带线二 7，这两段微带线长度和宽度不等。微带线一 6直接从天线基板1的底面的一边开始，并且可在其始端焊接馈电用的3嫩端口用于和外部传输线端口连接。优选微带线一 6的长度和宽度，可以使天线端口阻抗特性和外部连接的同轴线达到良好匹配。微带线二 7延伸到螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12下方。优选微带线二 7的长度和宽度，可以使分段微带线5和带有螺旋缝隙的微带贴片3达到良好的电磁场耦合，并且可以调整天线工作频段。
[0024]图4为根据本发明一实施例的人工电磁媒质覆盖层2。人工电磁媒质覆盖层2为单面敷铜板，在其顶面蚀刻出矩形小贴片阵列4，构成电抗性阻抗表面作为天线的人工电磁媒质覆盖层2。该电抗性阻抗表面具有自身谐振频率？0。优选小贴片阵列4的长3和宽I可以改变抑。设置抑高于天线基板1谐振频率？1、时，可以使整个天线在比？1、较低的频率上出现谐振，从而扩展天线工作带宽，使天线具有宽带特性。
[0025]因此，如图5所示，本发明提供的基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线的圆极化波辐射原理是:
[0026]分段微带线5可以导行接收或者辐射的电磁波信号，作为天线馈电单元。
[0027]带有螺旋缝隙的微带贴片3上面具有表面电流流向路径一，其沿着螺旋缝隙一 11的边缘流向，使贴片能够辐射频率为的圆极化电磁波。带有螺旋缝隙的微带贴片3上面具有表面电流流向路径二，其沿着螺旋缝隙二 12的边缘流向，使贴片能够辐射频率为的圆极化电磁波。通过优选螺旋缝隙一 11、螺旋缝隙二 12的原点位置、宽度、绕行角度和绕行方向等参数，可以使？1、？2接近，从而扩展天线圆极化工作频率范围。
[0028]人工电磁媒质覆盖层2的谐振频率为抑，并且抑高于？1、？2，可以使天线在比？1、 较低的频率上出现谐振，从而扩展天线工作带宽，使天线具有宽带特性。
[0029]本实施例仅是为了具体清楚地描述本发明的一个实施过程，不应认定为对本发明的限制，在不脱离本发明的设计原理和范围的前提下，可以做出若干简单修改和推演，均应当视为在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特征在于，包括天线基板(1)、人工电磁媒质覆盖层(2)、位于天线基板(1)顶面的带有螺旋缝隙的微带贴片(3)、位于天线基板(1)底面的微带线(5)和位于人工电磁媒质覆盖层(2)顶面的小贴片阵列(4)，采用带有螺旋缝隙的微带贴片(3)作为天线辐射单元，在其下方的单条分段微带线(5)作为馈电单元，在其上方由小贴片阵列(4)形成具有电抗性的阻抗表面构成了人工电磁媒质覆盖层⑵。
2.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，天线基板(1)顶面铜箔镂空出两条螺旋缝隙，分别为螺旋缝隙一(11)、螺旋缝隙二(12)。
3.根据权利要求2所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，螺旋缝隙一(11)从其原点开始以初始螺旋半径绕行，随着绕行角度增加，螺旋半径也增加。
4.根据权利要求2和3所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，螺旋缝隙二(12)从其原点开始以初始螺旋半径绕行，其初始螺旋半径比螺旋缝隙一(11)的初始螺旋半径小，并且随着绕行角度增加，螺旋半径也增加。
5.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，天线基板(1)底面蚀刻出了一条分段微带线(5)，其具有宽度和长度均不同的两段，分别为微带线一(6)、微带线二(7)。整条微带线(5)从天线基板(1)边缘开始的是微带线一(6)，之后连接微带线二(7)，并且微带线二(7)延伸到螺旋缝隙一(11)、螺旋缝隙二(12)下方。
6.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，人工电磁媒质覆盖层(2)仅有顶面敷铜而底面不敷铜，在其顶面蚀刻出小矩形贴片阵列(4)形成具有电抗性的阻抗表面构成了人工电磁媒质覆盖层(2)，其中小矩形贴片阵列(4)可以优选单个矩形贴片的长和宽，可以优选覆盖整个人工电磁媒质覆盖层(2)顶面或者其中一部分。
7.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，在人工电磁媒质覆盖层(2)和天线基板(1)的四个角分别钻了四个孔，用四个塑料螺丝穿过人工电磁媒质覆盖层(2)和天线基板(1)并且用塑料螺母将它们的相对位置固定，使人工电磁媒质覆盖层(2)和天线基板(1)平行并且由空气间隔。
8.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，天线基板(1)是双面敷铜板，采用低介电常数高频复合材料。
9.根据权利要求1所述的人工电磁媒质的宽带多模卫星导航天线，其特性在于，人工电磁媒质覆盖层(2)是单面敷铜板，采用低介电常数高频复合材料。
【文档编号】H01Q1/36GK104319461SQ201410543310
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月1日 优先权日:2014年10月1日
【发明者】李学识, 吴多龙, 林福民, 吴艳杰, 李健凤 申请人:广东工业大学