用于导航定位的介质加载无银浆天线及其设计和制备方法与流程

1.本发明涉及天线技术领域中的一种天线、所述天线的设计方法、所述天线的制备方法，尤其涉及一种用于导航定位的介质加载无银浆天线、所述介质加载无银浆天线的设计方法、所述介质加载无银浆天线的制备方法。


背景技术：

2.随着卫星导航系统的普及，定位作为卫星导航服务的一种重要业务，在私人位置服务、气象应用、道路交通、应急救援、航空、水运海运等领域有重要的用途。其对应的导航定位天线拥有大量的市场需求。
3.作为卫星定位的传统天线类型，陶瓷片微带天线以其尺寸小、容易批量生产等优势，常用于设计各种规格的卫星定位天线。但普通的陶瓷片微带天线传统的制作方法都是在加载介质上印刷银层，从而使得成本升高以及加工调试变得复杂，导致此天线价格昂贵。
4.例如，申请公布号为，cn111864369a，名称为“一种卫星定位gps、北斗陶瓷无源天线”，本发明公开了一种卫星定位gps、北斗陶瓷无源天线，该天线由陶瓷片和射频连接板组成，陶瓷片为辐射结构，射频连接板增加天线的增益，使得天线正常工作于bd3代定位和gps定位频段。此天线轻盈小巧，横向尺寸仅为25mm*25mm，但结构复杂且需要印刷银层，材料成本较高，由于其阻抗带宽和轴比带宽较窄，因此需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差。


技术实现要素：

5.为了解决现有天线还需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差的技术问题，本发明提供一种用于导航定位的介质加载无银浆天线、所述介质加载无银浆天线的设计方法、所述介质加载无银浆天线的制备方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
7.一种用于导航定位的介质加载无银浆天线，包括：
8.微带缝隙天线，其包括介质基板以及分别印制在介质基板的上、下相对两个表面上的金属贴片和金属导带，金属导带作为微带缝隙天线的馈电结构，金属贴片作为微带缝隙天线的辐射结构；以及
9.介质块，其安装在介质基板具有金属贴片的表面上，且位于金属贴片的中心位置上；
10.其中，金属贴片具有：
11.环形缝隙，其与金属导带耦合；
12.两对矩形缝隙，每对矩形缝隙中的两个矩形缝隙以环形缝隙的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙也以环形缝隙的中心为对称点对称设置；且每个矩形缝隙的一端与环形缝隙的外边缘连通，每个矩形缝隙的相对另一端向外辐射。
13.本发明通过对微带缝隙天线的设计，将每对矩形缝隙中的两个矩形缝隙以环形缝
隙的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙也以环形缝隙的中心为对称点对称设置；且每个矩形缝隙的一端与环形缝隙的外边缘连通，每个矩形缝隙的相对另一端向外辐射，而环形缝隙与金属导带耦合的方式，使得微带缝隙天线以金属导带作为馈电结构，以环形缝隙作为辐射结构，金属导带将馈入天线的能量传输到环形缝隙上，且通过改变金属导带长度可以调节金属导带与圆环缝隙的匹配；通过改变圆环缝隙的大小控制天线的工作频率；通过调节矩形缝隙的尺寸和与金属导带的夹角，可以引入微扰，使天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90
°
，使天线具有圆极化特性；因而可以直接将高介电常数介质安放在微带缝隙天线上，直接加工成型，无需人工调试，解决现有天线还需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差的技术问题。
14.作为上述方案的进一步改进，环形缝隙呈椭圆形或呈圆形。
15.作为上述方案的进一步改进，每个矩形缝隙上，连通环形缝隙的一端直短段，而相对的另一端为弧长段。
16.进一步地，所述弧长段以环形缝隙(121)的中心为圆心，以环形缝隙(121)的中心至所述直短段末端之间的距离为半径。
17.优选地，环形缝隙呈圆形时，其半径为15.7mm；每个矩形缝隙的宽度为0.5mm，所述直短段的长度为2.3mm，所述弧长段的半径为15.7+2.3＝18mm，所述弧长段的弧角度为20deg；所述直短段的线宽中心与金属导带的线宽中心的夹角为27deg。
18.作为上述方案的进一步改进，金属导带的长度为24mm，宽度为2.4mm。
19.作为上述方案的进一步改进，金属贴片的边长为35mm。
20.作为上述方案的进一步改进，介质基板采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.002的fr4材质，其边长为35mm，厚度为1mm。
21.作为上述方案的进一步改进，介质块的介电常数为8-60。
22.进一步地，介质块采用介电常数为20、损耗角正切为0.00005的陶瓷材质，形状为长方体结构，其长度等于宽度均为5mm，高度为3mm。
23.本发明还提供上述任意用于导航定位的介质加载无银浆天线的设计方法，所述设计方法为：
24.通过改变金属导带的长度调节金属导带与环形缝隙的匹配程度；
25.和/或
26.通过改变环形缝隙的大小控制微带缝隙天线的工作频率；
27.和/或
28.通过调节矩形缝隙的尺寸和与金属导带之间的夹角，引入微扰，使缝隙天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90
°
，使缝隙天线具有圆极化特性；
29.和/或
30.通过改变介质块的形状、尺寸和介电常数改变微带缝隙天线的q值，从而权衡微带缝隙天线的小型化程度和带宽。
31.本发明还提供上述任意用于导航定位的介质加载无银浆天线的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
32.提供介质基板；
33.将金属贴片和金属导带分别印制在介质基板的上、下相对两个表面上；
34.在金属贴片的中心位置蚀刻一个环形缝隙和两对矩形缝隙，其中，环形缝隙与金属导带耦合；每对矩形缝隙中的两个矩形缝隙以环形缝隙的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙也以环形缝隙的中心为对称点对称设置；且每个矩形缝隙的一端与环形缝隙的外边缘连通，每个矩形缝隙的相对另一端向外辐射；
35.直接将介质块安放在介质基板具有金属贴片的表面的中心位置上，直接加工成型。
36.本发明与传统陶瓷片微带天线相比，具有如下优点：
37.1.物料成本大幅降低，传统陶瓷天线的主要成本集中在表层印刷的银浆上，本发明省去了银浆，大幅降低成本。
38.2.加工成本降低，在确定好模型后可直接将高介电常数介质安放在微带缝隙上，直接加工成型，无需人工调试。
39.3.根据不同需求可以很快调整结构来满足，本发明结构简单，因为导航系统分为四大类，北斗，gps，glonass和伽利略，其工作频段有不同要求，在简单调整后即可加工制作满足不同导航系统的天线。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
41.图1为本发明实施例1的用于导航定位的介质加载无银浆天线的侧视示意图；
42.图2为图1中的介质加载无银浆天线的俯视示意图；
43.图3为图2中介质加载无银浆天线对应反射系数s11的仿真结果示意图；
44.图4为图2中介质加载无银浆天线对应轴比带宽的仿真结果示意图；
45.图5为图2中介质加载无银浆天线对应在1561mhz频点处e面和h面的极化增益辐射方向示意图。
46.图6为本发明实施例2的介质加载无银浆天线的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
47.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
48.实施例1
49.请参阅图1，本发明的用于导航定位的介质加载无银浆天线主要包括两个部分：微带缝隙天线1和介质块2。介质块2位于微带缝隙天线1上表面上。介质块2的介电常数可为8-60，在本实施例中，介质块2采用介电常数为20、损耗角正切为0.00005的陶瓷材质，形状为长方体结构，其长度等于宽度均为5mm，高度为3mm。
50.请结合图2，微带缝隙天线1包括介质基板11、金属贴片12和金属导带13。在本实施
例中，微带缝隙天线1的高度h1＝1mm，介质块2可为长方体，高度优选为h2＝3mm。
51.介质基板11可采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.002的fr4材质，在本实施例中，介质基板11的边长为35mm，厚度为1mm。
52.金属贴片12和金属导带13分别印制在介质基板11的上、下相对两个表面上。金属贴片12具有一个环形缝隙121、两对矩形缝隙122。金属导带13的长度可为24mm，宽度可为2.4mm；金属贴片12的边长可为35mm。
53.环形缝隙121与金属导带13耦合，环形缝隙121呈椭圆形或呈圆形，在本实施例中，环形缝隙121呈圆形。每对矩形缝隙122中的两个矩形缝隙122以环形缝隙121的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙122也以环形缝隙121的中心为对称点对称设置。且每个矩形缝隙122的一端与环形缝隙121的外边缘连通，每个矩形缝隙122的相对另一端向外辐射。
54.本发明通过对微带缝隙天线1的设计，即上述：将每对矩形缝隙122中的两个矩形缝隙122以环形缝隙121的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙122也以环形缝隙121的中心为对称点对称设置；且每个矩形缝隙122的一端与环形缝隙121的外边缘连通，每个矩形缝隙122的相对另一端向外辐射，而环形缝隙121与金属导带13耦合的方式，使得微带缝隙天线1以金属导13带作为馈电结构，以环形缝隙121作为辐射结构，金属导带13将馈入天线的能量传输到环形缝隙121上，且通过改变金属导带13长度可以调节金属导带13与圆环缝隙的匹配；通过改变圆环缝隙的大小控制天线的工作频率；通过调节矩形缝隙121的尺寸和与金属导带13的夹角，可以引入微扰，使天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90
°
，使天线具有圆极化特性；因而可以直接将高介电常数介质安放在微带缝隙天线1上，直接加工成型，无需人工调试，解决现有天线还需要人工调试消除产品加工误差产生的性能偏差的技术问题。激励起天线的一个宽通带能覆盖四大导航系统定位的工作频段，天线结构简单轻巧、性能优异，具有低剖面、低成本、宽轴比、回波损耗低、宽绝对带宽、辐射方向图稳定等特点，适用于卫星导航系统的定位功能。
55.每个矩形缝隙122上，连通环形缝隙121的一端直短段，而相对的另一端为弧长段。所述弧长段以环形缝隙121的中心为圆心，以环形缝隙121的中心至所述直短段末端之间的距离为半径。环形缝隙121呈圆形时，其半径优选为15.7mm；每个矩形缝隙122的宽度优选为0.5mm，所述直短段的长度优选为2.3mm，所述弧长段的半径优选为15.7+2.3＝18mm，所述弧长段的弧角度优选为20deg；所述直短段的线宽中心与金属导带13的线宽中心的夹角优选为27deg。
56.本发明介质块2是高q值的射频材料，用于天线的小型化，通过改变介质块2的形状、尺寸和介电常数可以改变天线的q值，从而权衡天线的小型化程度和带宽。合理的设计微带缝隙天线1、合适的选择介质块材料，使天线正常工作于四大定位系统的频段范围，并且满足定位的辐射指标要求，使得天线实现导航系统的定位功能。
57.本实施例提供了介质加载无银浆天线的各部分结构的具体尺寸参数，结合仿真结果作进一步说明，请一并参阅图3、4、5。介质块2采用介电常数为20、损耗角正切为0.00005的陶瓷材质，形状为长方体结构，其长度等于宽度等于5mm，高度h2＝3mm；介质基板11采用介电常数为3.5、损耗角正切为0.002的fr4材质，其边长wg＝35mm，厚度h1＝1mm；金属贴片12的边长为wg＝35mm，蚀刻在金属贴片12中心的圆环缝隙121半径r1＝15.7mm；一对矩形缝隙关于金属贴片12的中心旋转对称，其宽度ws＝0.5mm，每个矩形缝隙122与圆环缝隙121连
通部分为直短段，未与圆环缝隙121连通部分为以金属贴片12中心为圆心，半径r1+l1＝18mm的圆上的一段弧，称为矩形缝隙122的弧长段，其中一个矩形缝隙122直短段的线宽中心与金属导带13线宽中心的夹角为θ0＝27deg，直短段长度l1＝2.3mm，弧长段的弧角度θ1＝20deg；金属导带13一端位于介质基板11下方的边缘，其长度l0＝24mm，宽度w0＝2.4mm。
58.一、仿真内容
59.1.1利用商业化电磁仿真软件hfss2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，对天线的反射系数s11曲线进行仿真计算，结果如图4所示。
60.1.2利用商业化电磁仿真软件hfss2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，对天线的轴比随角度变化曲线进行仿真计算，结果图5所示。
61.1.3利用商业化电磁仿真软件hfss2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，对在1561mhz频率处天线的e面(phi＝0
°
)和h面(phi＝90
°
)的极化增益方向图进行仿真计算，结果图6所示。
62.2、仿真结果
63.参见图3，图中横坐标为频率，单位为ghz，范围为从1.50ghz到1.60ghz，纵坐标为s11参数幅度的分贝值，单位为db，范围为-22.5db—0db。s11在1.554ghz-1.566ghz频段范围内均小于-10db，绝对带宽为12mhz；s11在1558mhz频点处为-20db，因此天线在此频带内能够正常工作。
64.参见图4，图中横坐标为角度，单位为度，范围为从-180度到180度，纵坐标为轴比ar参数幅度的分贝值，单位为db，范围为0db—30db。ar在-50度-50度频段范围内均小于3db，实现100度的3db波束宽度，表明天线在满足北斗1代定位的性能指标，天线在此频带内拥有良好的右旋圆极化特性。
65.参见图5，为天线在频率为1561mhz的方向图。天线在e面(phi＝0
°
)和h面(phi＝90
°
)的右旋圆极化增益曲线几乎重合，增益最大方向为0
°
，右旋圆极化增益为3.0dbic。
66.仿真结果得出，天线可正常工作于1561mhz的频段范围内，天线性能满足北斗定位频率范围、驻波、增益、计划等指标要求。
67.实施例2
68.本实施例提供了一种介质加载无银浆天线的设计方法，可应用于实施例1的介质加载无银浆天线中。所述设计方法可以通过改变金属导带13的长度调节金属导带13与环形缝隙121的匹配程度；可以通过改变环形缝隙121的大小控制微带缝隙天线1的工作频率；可以通过调节矩形缝隙122的尺寸和与金属导带13之间的夹角，引入微扰，使缝隙天线1产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90
°
，使缝隙天线1具有圆极化特性；可以通过改变介质块2的形状、尺寸和介电常数改变微带缝隙天线1的q值，从而权衡微带缝隙天线1的小型化程度和带宽。
69.本实施例设计的介质加载无银浆天线如果采用以上设计要点，则可以实现如实施例1展示的介质加载无银浆天线，具备介质加载无银浆天线的效果。
70.实施例3
71.请参阅图6，本实施例的介质加载无银浆天线的制备方法可制备实施例1、2的介质加载无银浆天线。
72.所述制备方法包括以下步骤：
73.提供介质基板11；
74.将金属贴片12和金属导带13分别印制在介质基板11的上、下相对两个表面上；
75.在金属贴片12的中心位置蚀刻一个环形缝隙121和两对矩形缝隙122，其中，环形缝隙121与金属导带13耦合；每对矩形缝隙122中的两个矩形缝隙122以环形缝隙121的中心为对称点对称设置，两对矩形缝隙122也以环形缝隙121的中心为对称点对称设置；且每个矩形缝隙122的一端与环形缝隙121的外边缘连通，每个矩形缝隙122的相对另一端向外辐射；
76.直接将介质块2安放在介质基板11具有金属贴片12的表面的中心位置上，直接加工成型。
77.本发明设计的微带缝隙天线1，以金属导带13作为馈电结构，以圆环缝隙即环形缝隙121作为辐射结构，金属导带13将馈入天线的能量传输到圆环缝隙上，且通过改变金属导带13长度可以调节金属导带13与圆环缝隙的匹配；通过改变圆环缝隙的大小控制天线的工作频率；通过调节矩形缝隙122的尺寸和与金属导带13的夹角，可以引入微扰，使天线产生两个正交模式分别对应两个辐射谐振点，将两个正交模式相位差调节至相差90
°
，使天线具有圆极化特性；介质块2是高q值的射频材料，用于天线的小型化，通过改变介质块2的形状、尺寸和介电常数可以改变天线的q值，从而权衡天线的小型化程度和带宽。合理的设计微带缝隙天线1、合适的选择介质块2材料，使天线正常工作于四大定位系统的频段范围，并且满足定位的辐射指标要求，使得天线实现导航系统的定位功能。
78.综上所述，本发明的介质加载无银浆天线与传统陶瓷片微带天线相比，具有如下优点：
79.1.物料成本大幅降低，传统陶瓷天线的主要成本集中在表层印刷的银浆上，本发明省去了银浆，大幅降低成本；
80.2.加工成本降低，在确定好模型后可直接将高介电常数介质安放在微带缝隙上，直接加工成型，无需人工调试；
81.3.根据不同需求可以很快调整结构来满足，本发明结构简单，因为导航系统分为四大类，北斗，gps，glonass和伽利略，其工作频段有不同要求，在简单调整后即可加工制作满足不同导航系统的天线。
82.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。