本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于混合加载的宽波束微带天线。
背景技术：
北斗二代导航系统包含b1（1561.098±2mhz）、b2（1207.14±10.23mhz）和b3（1268.52±10.23mhz）三个工作频段，极化方式均为右旋圆极化。
在北斗导航系统中，若同一时间能与多颗导航卫星建立通信，则有利于提升导航定位的精度，为此就要求导航天线具备良好宽波束覆盖性能。通常要求天线在两个正交面（e面和h面）内的半功率波束宽度大于120°。
与此同时，为提高与导航卫星通信的可靠性，北斗导航天线还应该具有良好圆极化性能。圆极化天线具有能够接收任意极化电磁波且其辐射的圆极化波可以被任意极化的天线接收，能够有效抑制多路径效应和法拉第旋转效应。综上可知，作为北斗导航天线，必须具有宽波束圆极化特性。
微带贴片天线最早提出于上世纪50年代，近几十年来，因其具有重量轻、剖面低、加工制造方便且易于与射频电路集成等优点，因此获得广泛的关注与研究。根据微带天线经典理论，微带天线半功率波束宽度为80~90°左右。常规微带天线无法满足导航系统宽角度覆盖的要求，因此，如何拓展微带天线波束宽度成为目前的一个研究热点与难点。
本发明基于加载技术，提出了本发明设计了一种宽波束圆极化微带天线，相比常规微带天线，所设计微带天线其e面与h面半功率波束宽度超过148°，且在宽角范围内具有良好圆极化轴比特性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于微带天线的金属裂环与伞形单极子混合加载方法，以改变微带天线口径场分布特性，从而使微带天线实现宽波束辐射特性。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于混合加载的宽波束微带天线，其特征是：至少包括覆铜介质基板、正方形微带贴片、金属裂环、伞形单极子、圆形地板；覆铜介质基板为双面正方形覆铜基板，在双面正方形覆铜基板的一面为覆铜圆形地板，在双面正方形覆铜基板的另一面为金属裂环，在金属裂环的中央有正方形微带贴片，正方形微带贴片周边有若干个伞形单极子；圆形地板和正方形微带贴片上下通过天线馈电端口连接；天线馈电端口通过同轴探针与微带贴片相连。
所述的正方形微带贴片为介质基板正面刻蚀后的赋铜体，通过改变正方形微带贴片的边长尺寸，调整天线谐振频率。
所述的圆形地板为介质基板背面刻蚀后的赋铜体，圆形地板的直径大于正方形微带贴片对角线长度。
所述的天线馈电端口的两端口馈电幅度相等，馈电相位差90°。
所述的天线馈电端口采用两路相差90°的威尔金森功分器接天线馈电端口。
所述的金属裂环为覆铜介质基板正面刻蚀后的赋铜体，金属裂环为金属环经多段打断而成，金属裂环的圆心与正方形微带贴片的几何中心重合。
所述的金属裂环的直径大于正方形微带贴片的对角线长度。
所述的伞形单极子包括：上部金属圆片和下部金属柱，金属圆片与微带贴片平行；金属柱的顶端与金属圆片垂直相连，通过在覆铜介质基板的对应位置打孔将金属柱插入固定到覆铜介质基板。
所述的的若干个伞形单极子围绕正方形微带贴片的几何中心排布在一个圆上；伞形单极子的数量应大于4个，但同时应避免由于伞形单极子数量过多而发生交叠；伞形单极子排布直径小于金属裂环的直径，而大于微带贴片对角线长度。
所述的覆铜介质基板材料为环氧玻璃布层压板，相对介电常数为4.4，覆铜介质基板厚度为3mm；微带贴尺寸为44.2mm×44.2mm；金属裂环半径为55mm，裂环宽度为4.6mm；伞形单极子金属圆片半径为8.5mm；伞形单极子金属柱高度为20mm；圆形地板的直径为81.5mm。
本发明的原理及优点是：根据微带天线理论，微带天线的辐射是由微带贴片边沿与地板之间的窄缝隙形成。典型微带天线的方向图半功率波束宽度为80°~90°左右。在本发明中，在微带贴片4周围一定位置加载金属裂环，从而使微带贴片上部分能量耦合至金属裂环。金属裂环可以被看作是一个辐射引向器，它与八木天线、对数周期天线中引向器的工作方式和工作原理相同。通过在微带贴片周围加载金属裂环，可将部分辐射能量引向至宽角方向，从而使天线原宽角方向的辐射能量分布得到增强，提升天线波束覆盖范围，实现宽波束辐射特性。
附图说明
图1为基于混合加载的宽波束微带天线结构示意图；(图1a是一种基于混合加载的宽波束微带天线的正面图，图1b是一种基于混合加载的宽波束微带天线的侧面图，图1c是一种基于混合加载的宽波束微带天线的背面图);
图2是加载金属裂环后天线表面电流分布；
图3是“倒8”形状单极子天线的方向图；
图4是威尔金森功分器结构示意图；
图5为天线电压驻波系数随频率变化的曲线关系；
图6和图7分别给出了天线在1.561ghz频率处，e面（φ=0°面）和h面（φ=90°面）的主极化和交叉极化辐射方向图，图中主极化方向图用实线表示，交叉极化方向图用虚线表示；
图8给出了f=1.561ghz时，天线圆极化轴比随角度变化曲。
图中标号：1、覆铜介质基板；2、微带贴片；3、金属裂环；4、伞形单极子；4-1、金属圆片；4-2、金属柱；5、圆形地板；6、天线馈电端口。
具体实施方式
如图1所示，图1a是一种基于混合加载的宽波束微带天线的正面图，图1b是一种基于混合加载的宽波束微带天线的侧面图，图1c是一种基于混合加载的宽波束微带天线的背面图。结合图1a、图1b、图1c对本发明作进一步说明：
一种基于混合加载的宽波束微带天线，其特征是：至少包括覆铜介质基板1、正方形微带贴片2、金属裂环3、伞形单极子4、圆形地板5；覆铜介质基板1为双面正方形覆铜基板，在双面正方形覆铜基板的一面为覆铜圆形地板5，在双面正方形覆铜基板的另一面为金属裂环3，在金属裂环3的中央有正方形微带贴片2，正方形微带贴片2周边伞形单极子4；圆形地板5和正方形微带贴片2上下通过天线馈电端口连接。
正方形微带贴片2为介质基板1正面刻蚀后的赋铜体，通过改变正方形微带贴片2的边长尺寸，调整天线谐振频率。
圆形地板5为介质基板1背面刻蚀后的赋铜体，圆形地板5的直径大于正方形微带贴片2对角线长度。
天线馈电端口6通过同轴探针与微带贴片2相连。
为实现圆极化辐射特性，天线馈电端口6的两端口馈电幅度相等，馈电相位差90°。
天线馈电端口6采用两路相差90°的威尔金森功分器接天线馈电端口。
所述的金属裂环3为覆铜介质基板1正面刻蚀后的赋铜体，金属裂环3为金属环经多段打断而成，金属裂环3的圆心与正方形微带贴片2的几何中心重合。
所述的金属裂环3的直径大于正方形微带贴片2的对角线长度。
如图1b所示，所述的伞形单极子4包括：含上部金属圆片4-1和下部金属柱4-2，金属圆片4-1与微带贴片2平行；金属柱4-2的顶端与金属圆片4-1垂直相连，通过在覆铜介质基板1的对应位置打孔将金属圆柱4-2插入固定到覆铜介质基板1。
若干个伞形单极子4围绕正方形微带贴片2的几何中心排布在一个圆上。伞形单极子4的数量应大于4个，但同时应避免由于伞形单极子4数量过多而发生交叠。
伞形单极子4排布直径小于金属裂环3的直径，而大于微带贴片2对角线长度。
覆铜介质基板1材料为fr-4（环氧玻璃布层压板），相对介电常数为4.4，覆铜介质基板1厚度为3mm。
微带贴片2尺寸为44.2mm×44.2mm。
金属裂环3半径为55mm，裂环宽度为4.6mm。
伞形单极子金属圆片4-1半径为8.5mm。
伞形单极子金属柱4-2高度为20mm。
圆地板5的直径为81.5mm。
本发明的工作原理如图2所示，根据微带天线理论，微带天线的辐射是由微带贴片边沿与地板之间的窄缝隙形成。典型微带天线的方向图半功率波束宽度为80°~90°左右。在本发明中，在微带贴片4周围一定位置加载金属裂环，从而使微带贴片上部分能量耦合至金属裂环。
金属裂环可以被看作是一个辐射引向器，它与八木天线、对数周期天线中引向器的工作方式和工作原理相同。通过在微带贴片周围加载金属裂环，可将部分辐射能量引向至宽角方向，从而使天线原宽角方向的辐射能量分布得到增强，提升天线波束覆盖范围，实现宽波束辐射特性。
如图3所示，伞形单极子可以看作是结构变形的单极子天线，其顶部通过加载金属圆片，可有效降低单极子天线高度。单极子天线的方向图为“倒8”形状，通过在微带贴片周围一定位置加载伞形单极子，部分微带贴片上能量将会耦合至伞形单极子。
伞形单极子的辐射特性与微带贴片形成互补，即微带贴片辐射最强的法线方向是伞形单极子辐射零点，因此该方向辐射能量不会得到加强；而在微带贴片辐射越来越弱的宽角方向，伞形单极子辐射则越来越强，从而使天线原宽角方向的辐射能量得到加强，实现宽波束辐射特性。
当同时加载金属裂环和伞形单极子后，原微带天线的辐射波束宽度得到显著提升，该提升优于单一加载方式对天线波束宽度的提升。
天线电特性仿真分析
采用ansyselectronicsdesktop对所设计的宽波束微带天线进行电特性仿真分析，可以得到如下仿真分析计算结果。
针对北斗导航天线b1工作频段（1561.098±2mhz），采用具有90°相差的威尔金森功分器接天线端口6，实现右旋圆极化特性。威尔金森功分器如图4所示。
图5为天线电压驻波系数随频率变化的曲线关系。由图5的仿真分析结果可知，天线在1.17ghz~1.47ghz频率范围内，电压驻波系数vswr≤2.0。在1.561±2mhz频率范围内，天线vswr≤1.2
2、天线辐射方向图仿真分析结果
图6和图7分别给出了天线在1.561ghz频率处，e面（φ=0°面）和h面（φ=90°面）的主极化和交叉极化辐射方向图，图中主极化方向图用实线表示，交叉极化方向图用虚线表示。
由图6和图7可知，f=1.561ghz时，天线e面（φ=0°面）辐射方向图半功率波束宽度为149°，天线h面（φ=90°面）辐射方向图半功率波束宽度为148°。由交叉电平可知，天线具有良好的线极化特性。
图8给出了f=1.561ghz时，天线圆极化轴比随角度变化曲线，由图8可知，天线e面（φ=0°面）内轴比小于3db的角度范围为135°；天线h面（φ=90°面）内轴比小于3db的角度范围为129°，由此可知，天线在宽角度范围内具有良好的圆极化辐射特性。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。