用于北斗导航系统的耦合阵列微带天线

摘要

用于北斗导航系统的耦合阵列微带天线，涉及一种微带天线。提供一种高增益、低仰角、小尺寸、低轴比、高相位中心稳定度，北斗下行S频段的用于北斗导航系统的耦合阵列微带天线。设有单面覆铜层基板，在单面覆铜层基板上设有方形铜导体面天线贴片，在方形铜导体面天线贴片四周设有矩形耦合阵列，在方形铜导体面天线贴片内设有对称分布的外层槽、中层槽和内层槽；在方形铜导体面天线贴片上设有馈电孔。

说明书

技术领域

本发明涉及一种微带天线，尤其是涉及一种用于北斗导航系统的耦合阵列微带天线。

背景技术

北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实 施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是除GPS、GLONASS、GALILEO之后第4个成 熟的卫星导航系统。该系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时与通信服务。 根据计划，北斗卫星导航系统于2013年年初向亚太大部分地区提供正式服务。2020年左右， 北斗卫星导航系统形成全球覆盖能力。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分 组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和 监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北 斗系统已在交通、渔业、水文、气象、林业、通信、电力、救援等诸多领域得到广泛应用， 注册用户已达6万，产生了显著的社会效益和经济效益。它将成为国民经济新的增长点，对 提升社会信息化水平、促进经济可持续发展、提高人民生活质量、增强公共安全与国防安全 等方面都将产生深远的影响，并具有重大的战略性意义。

由于北斗卫星采用地球同步卫星，距离地球表面比较远，因此到达地面的北斗卫星信号 非常微弱。同时，北斗卫星发射天线阵是赋形波束，而低仰角的波束信号对定位的精度有更 大的贡献，从而要求一定的仰角。一般情况下，其终端天线有如下要求：

1.相位方向图和相位中心。在北斗卫星定位系统中，由于其卫星上不同角度的天线输出 端的相位差，会产生一定的定位误差，对于精度要求高的用户是不能接受的，因此对于卫星 提供服务的区域内，天线应提供均匀的振幅响应和相位响应。天线的相位中心稳定度与天线 的形式和馈电方式相关。一般来说，天线的对称性越好，其相位中心的稳定度越高。该天线， 从设计上保证了天线的相位中心的稳定性。

2.幅度方向图和增益。在导航定位系统工作过程中，如果卫星俯仰角低于规定值时，其 接收机天线将收不到信号。同时，为了尽量避免严重的对流层效应和多径效应，提高天线有 效角度上的方向增益。对于北斗导航卫星，要求提高天线的低仰角增益，即具有较宽波束宽 度的方向图。

3.频率和极化。目前已有的卫星导航系统工作频率各不相同，但都要求极化特性为圆极 化。我国的北斗卫星导航系统工作于上行L频段(其中工作频点L1：1610-1626.5MHz，补偿 频点L2：1227.6MHz)，此频段采用左旋圆极化；下行S频段(其中工作频点：2483.5-2500MHz)， 此频段采用右旋圆极化。然而，对于更精确的定位中，为了补偿在电离层传播过程中造成的 延时，一般采用双频或多频工作。因此，这就要求终端天线在各个频率上都具有良好的工作 性能。

综上所述，在北斗卫星导航系统终端接收天线的设计过程中，应对如下的要求进行相应 的考虑：终端接收天线的频率应落在北斗卫星导航系统的频段内；其天线极化特性为圆极化， 以便可以接收来自空中任意极化、任意方向的北斗卫星信号。

微带天线作为一种新型的天线，与普通天线相比，具有不可替代的优势。它具有体积小、 重量轻、平面结构简单、易于实现圆极化与双频等特点；此外，微带天线也有结构紧凑、性 能稳定等特性，易于使用的印刷电路技术和大批量制造技术。

对于目前工作的大部分微带圆极化天线，常规的微带圆极化天线尺寸一般比较大，即便 通过插入短路针和一些其他手段来达到小型化，使天线的结构复杂化，同时天线的圆极化特 性，如轴比、仰角等过大，使天线难以达到最佳性能。

资料表明，未见有人把阵列耦合技术及相位中心稳定设计应用在北斗天线的设计中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高增益、低仰角、小尺寸、低轴比、高相位中心稳定度，北 斗下行S频段的用于北斗导航系统的耦合阵列微带天线。

本发明设有单面覆铜层基板，在单面覆铜层基板上设有方形铜导体面天线贴片，在方形 铜导体面天线贴片四周设有矩形耦合阵列，在方形铜导体面天线贴片内设有对称分布的外层 槽、中层槽和内层槽；在方形铜导体面天线贴片上设有馈电孔。

所述单面覆铜层基板可采用相对介电常数为9.8±5%的复合陶瓷介质板。单面覆铜层基 板的长度可为25.32±0.01mm，宽度可为25.32±0.01mm,厚度可为3±0.01mm。

所述方形铜导体面天线贴片的大小可为15.99±0.01mm×2.67±0.01mm，其中两边为切 角，长度为2.26±0.01mm。

所述矩形耦合阵列的大小可为15.99±0.01mm×15.99±0.01mm，矩形耦合阵列与方形 铜导体面天线贴片的距离为1.07±0.01mm；外层槽的大小可为9.14±0.01mm×0.80± 0.01mm；中层槽为折弯槽，中层槽的臂长可为4.81±0.01mm，两臂等长，中层槽与外层槽的 间距可为0.86±0.01mm，外层槽与方形铜导体面天线贴片的边缘距离可为0.73±0.01mm；内 层槽的大小可为5.33±0.01mm×0.80±0.01mm，内层槽与中层槽的间距可为0.81±0.01mm。

所述馈电孔的大小可为0.5±0.01mm，高度可为3±0.01mm。馈电孔与方形铜导体面天线 贴片的中心距离可为2.65±0.01mm。

本发明采用铜轴线偏馈的形式馈电，这种馈电形式使得天线的S11更低，增益增大。其 中，铜轴线的内芯通过馈孔与上表面矩形帖片连接，而铜轴线的外芯与复合陶瓷介质板下表 面的反射板相连。

本发明的尺寸可以设计成25.32mm±0.1mm×25.3±0.1mm大小，是普通微带天线的尺寸 的10%，达到了小型化北斗天线的目的。同时，本发明具有非常好的低仰角特性，中心频率 轴比1.2，3dB轴比带宽达15MHz，中心频率的回波损耗（S11）可以达到-35dB以下。本发明 完全可以将其放到北斗导航终端内，而且具有结构简单、成本低、性能好和易于集成等优点。 本发明的两大主要特点是：一是采用阵列耦合来达到低仰角目的，二是采用开槽技术和高介 电常数基板来达到小型化目的，使整体的天线尺寸只有25mm左右。

本发明主要由两部分组成，一是主贴片，主要产生对应频率的辐射；二是耦合阵列，主 要是调节主贴片的仰角性能。主贴片是采用方形切角结构来产生圆极化，采用开槽技术缩减 天线尺寸。

本发明采用的这种阵列耦合技术使天线的仰角变小，天线在0和90°的增益接近，接近 半球体增益，具有良好的低仰角性能，同时在贴片上开槽来形成缝隙阵列，来降低天线尺寸。 与现有的圆极化微带天线相比，本发明采用的阵列耦合结构能够很好地改善天线的仰角性能。 把耦合阵列机构应用在微带贴片天线上，能够很好地提升天线在半平面的辐射特性，并且抑 制其在下半平面的辐射。且采用对称结构，每一层内的槽体的宽度也是相同大小,故本发明具 有很高的相位中心稳定度。本发明还可以扩展到工程应用中的其他天线，对工程应用有着重 要的意义。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为本发明回波损耗(S11)性能图。

图3为本发明在频带内的轴比图。

图4为本发明2.492GHz的E面和H面增益方向图。在图4中，曲线a为E plane，曲线 b为H plane。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明的技术方案及其突出效果作进一步说明。

参见图1～3，本发明实施例设有单面覆铜层基板1，在单面覆铜层基板1上设有方形铜 导体面天线贴片3，在方形铜导体面天线贴片3四周设有矩形耦合阵列2，在方形铜导体面天 线贴片3内设有对称分布的外层槽4、中层槽5和内层槽6；在方形铜导体面天线贴片3上设 有馈电孔7。

所述单面覆铜层基板1采用相对介电常数为9.8±5%的复合陶瓷介质板。单面覆铜层基 板1的长度为25.32±0.01mm，宽度为25.32±0.01mm,厚度为3±0.01mm。

所述方形铜导体面天线贴片3的大小为15.99±0.01mm×2.67±0.01mm，其中两边为切 角，长度为2.26±0.01mm。

所述矩形耦合阵列2的大小为15.99±0.01mm×15.99±0.01mm，矩形耦合阵列2与方 形铜导体面天线贴片3的距离为1.07±0.01mm；外层槽4的大小为9.14±0.01mm×0.80± 0.01mm；中层槽5为折弯槽，中层槽5的臂长为4.81±0.01mm，两臂等长，中层槽5与外层 槽4的间距为0.86±0.01mm，外层槽4与方形铜导体面天线贴片3的边缘距离为0.73± 0.01mm；内层槽6的大小为5.33±0.01mm×0.80±0.01mm，内层槽6与中层槽5的间距为 0.81±0.01mm。

所述馈电孔7的大小为0.5±0.01mm，高度为3±0.01mm。馈电孔7与方形铜导体面天线 贴片3的中心距离为2.65±0.01mm。

本发明中采用铜轴线偏馈的形式馈电，这种馈电形式使得天线的S11更低，增益增大。 其中，铜轴线的内芯通过馈孔与上表面矩形帖片连接，而铜轴线的外芯与复合陶瓷介质板下 表面的反射板相连。

从图2中可以看出，本发明的工作频段可为2.47～2.52GHz。此工作频段内天线的回波 损耗(S11)都在10dB以下，在2.51GHz处的最小回波损耗为-35dB。从上可以看出，在整 个通频带内天线的回波损耗性能都能达到要求。本发明在2.492GHz的绝对带宽与相对带宽 分别为55M与2.1%；性能稳定且能够定向辐射，因而可以很好地应用于北斗与GPS等卫星通 信系统中。

参见图3，本发明在北斗导航下行频带2.487～2.497GHz内，拥有良好的轴比性能，均 在3dB以下。

参见图4，为E面方向图和H面方向图。从图4中看出，本发明具有定向辐射特性，可 以满足卫星通信系统的要求。同时也可以看出天线在0dB的方向达到±60°，拥有很好的低 仰角特性，仰角性能非常优秀。同时，如果加大介质板的大小，可以增加天线的方向增益。

本发明的制造加工误差对天线特性的影响情况参见表1。

表1

综上所述，本发明采用阵列耦合微带天线技术设计天线，由天线的回波损耗（S11）性 能图可以看出，天线已经覆盖2.474～2.529GHz这个频带，达到了北斗上行S频段的工作要 求。从仿真辐射图和E面方向图和H面方向图可以看出，天线具有很好地低仰角特性。