[发明专利]多频圆极化层叠式微带天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种无源微波传输器件，确切地说，涉及一种多频圆极化层叠式微带天线，属于微波传输技术领域。

背景技术

近年来，GPS的L1（1575.42MHz）、L2（1227.6MHz）和L5（1176.45MHz）频段逐渐开放，中国北斗卫星导航系统（CNSS）也处于不断成熟之中。目前已经开放的北斗卫星导航系统的上行L频段为1610~1626.5MHz，下行S频段为2483.5~2500MHz。随着卫星导航定位需求的增加，卫星定位导航系统可能需要工作于多个频段，并且，由于需要GPS和CNSS两个系统兼容工作，以便能够实现两个导航系统的优劣互补，使卫星导航应用更加成熟、全面。这些需求都要求无线接收机的天线必须工作在圆极化和多频段。

微带天线因其具有尺寸小、成本低、易加工等特点，在卫星通信及卫星导航领域都得到了广泛使用。微带天线大都采用高介电常数的介质，具有带宽较宽、良好的广角圆极化特性。由于导航卫星是发射右旋圆极化的导航信号，故要求导航终端的天线在各工作频段上应具有良好的右旋圆极化特性。

但是，现有的微带天线存在下述缺陷：或不能实现多频的特性，或虽然可以工作于多个频点，但其需要多个馈电接口；这样就需要相应的耦合器或移相网络等电路，使得天线的结构复杂，不利于实现小型化和微型化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用于卫星信号接收的多频圆极化层叠式微带天线，该天线只需一个端口馈电接口就能接收多个频段卫星信号，且不需使用功分器、耦合器和移相网络等电路，从而使得发射接收电路比较简单，容易安装；同时还具有尺寸小、波束宽度大等优点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种多频圆极化层叠式微带天线，其特征在于：所述天线是采用多层金属片与位于每两层金属片之间的介质板叠堆在一起而构成的多个圆极化的微带天线：通过同轴线内导体和外导体分别与上层金属片和接地板相连接进行馈电，并利用上层金属片与下层金属片之间的电磁耦合方式对位于其中间层的金属片进行馈电，藉此架构组成多个圆极化的微带天线：顶层金属片、顶层介质板和第二层的金属片形成一个工作于最高频率的微带天线，第二层金属片、第二层介质板和第三层金属片形成工作于次高频点的微带天线；直至底层金属片、底层介质板与接地板形成工作于最低频点的微带天线；且各层金属片与介质板的参数设计采用微带天线的传统方法，该天线的各个工作频率相对独立，能够实现任意多频点的组合。

所述天线在各个频段内的辐射特性和谐振特性分别取决于相应位置的上层金属片和介质板的电参数。

所述天线的金属片和介质板为矩形或正方形，且后者居多。

所述天线的介质板的选择相对固定，供选择的不同介电常数材料包括：2.65、3.48、4.4或9.8多种；故该天线的参数与性能的设计关键是各层金属片。

在设定介质材料后，所述天线的谐振频率决定于金属片的尺寸；正方形金属片的谐振频率与其边长之间的对应关系为：谐振频率其中，c为真空中的光速，L为正方形微带天线的长度，ε_r为介质材料为r的相对介电常数。

所述天线的馈电位置决定了该天线在谐振时的输入阻抗：由空腔模型获知矩形金属片的TM01模式的输入阻抗R₀₁的计算公式为:其中，L和W分别为矩形金属片的长度和宽度，h为介质板高度，Q为天线的品质因数，λ₀为真空中电磁波的波长，ε_r为介质材料为r的相对介电常数，d为馈电位置与矩形金属片边缘的距离。

根据微带天线的空腔模型理论，所述天线引入简并模分离单元能够实现圆极化特性，且根据馈电位置的不同有两种分离方式：位于金属片的中轴线上，或位于金属片的对角线上。

所述天线的金属片开设槽孔，能够减小天线尺寸，提高极化纯度和增加带宽；且槽孔的形状包括矩形、U型或T型的多种，形状、尺寸与位置合适的槽孔的天线性能与效果更理想。

本发明多频圆极化层叠式微带天线的优点是：结构简单、紧凑，制造成本低廉，容易实现。该天线只需一个端口馈电接口就能接收多个频段卫星信号，且不需使用功分器、耦合器和移相网络等电路，从而使得发射接收电路比较简单，容易安装；同时还具有尺寸小、波束宽度大等优点。因此，该天线具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明多频圆极化层叠式微带天线结构组成示意图。

图2（A）、（B）分别是A型和B型分离方式的各自4种常用的实现圆极化示意图。