一种双频圆极化天线

1.本技术涉及天线技术领域，特别是涉及一种双频圆极化天线。


背景技术：

2.卫星导航系统对国家的意义重大，时刻影响着国家的政治、经济和安全。在我国自主研究建设的北斗导航系统中，北斗导航天线作为接收卫星信号的重要终端器件，其性能直接影响导航系统的定位速度和精度。现如今社会快速发展，搭载北斗天线的环境也来越多，对天线设计提出越来越高的要求。
3.在北斗天线设计中，传统北斗天线常见用单馈点激励出圆极化波，其轴比带宽和阻抗带宽大多只满足单个频点且性能较差。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种双频圆极化天线，能够实现双频圆极化。
5.双频圆极化天线，包括：依次相叠且中心重合的第一贴片层、第一介质层、第二贴片层、第二介质层以及地板层；
6.所述第一贴片层与所述第二贴片层均为正方形的结构，且每组对应边分别平行；
7.所述第一贴片层的一组对角设有第一切角，所述第二贴片层的一组对角设有第二切角；所述第一切角与所述第二切角均为等腰直角三角形的结构，且方向一致。
8.在一个实施例中，所述第一贴片层的另一组对角设有第一切槽，所述第二贴片层的另一组对角设有第二切槽；
9.所述第一切槽为矩形的结构，且所述第一切槽的一组相邻边分别与所述第一贴片层的一组对应的相邻边重合；
10.所述第二切槽为对称的l形的结构，且所述第二切槽的一组外侧的相邻边与所述第二贴片层的一组对应的相邻边重合。
11.在一个实施例中，所述第一贴片层的中央设有第一开槽；所述第一开槽为矩形的结构，且所述第一开槽的长度方向与所述第一切角的斜边平行；
12.所述第二贴片层的中央设有第二开槽；所述第二开槽为矩形的结构，且所述第二开槽的长度方向与所述第二切角的斜边平行。
13.在一个实施例中，所述第一开槽与所述第二开槽不重合。
14.在一个实施例中，所述第一介质层上还设有一组l形结构的条带枝节；
15.所述条带枝节设在所述第一切槽的外侧并与所述第一贴片层具有间隙；
16.所述条带枝节的对称轴与所述第一贴片层的对应对角线重合。
17.在一个实施例中，所述第一介质层、所述第二介质层以及所述地板层均为正方形的结构，且每组对应边分别与所述第一介质层的边平行；
18.所述第一贴片层、所述第一介质层、所述第二贴片层、所述第二介质层以及所述地
板层均为中心对称的结构。
19.在一个实施例中，还包括：馈电探针；
20.所述馈电探针的外介质与所述地板层相连，所述馈电探针的内导体依次穿过所述地板层、所述第二介质层、所述第二贴片层、所述第一介质层后与所述第一贴片层相连。
21.在一个实施例中，所述馈电探针与天线的中心不重合。
22.在一个实施例中，所述第二贴片层上设有通孔作为隔离环，以使所述同轴馈电探针的内导体穿过所述第二贴片层且与所述第二贴片层隔离。
23.在一个实施例中，所述馈电探针的外导体的底部与所述地板层相连，顶部与所述隔离环相连。
24.上述双频圆极化天线，在正方形的第一贴片层的一组对角设有等腰直角三角形结构的第一切角，因此实现对应频段的圆极化；在正方形的第二贴片层的一组对角设有等腰直角三角形结构的第二切角，因此实现对应频段的圆极化；第一切角与第二切角叠加，实现双频圆极化。本技术利用多层堆叠技术实现层叠双频天线。
附图说明
25.图1为一个实施例中双频圆极化天线的立体图；
26.图2为一个实施例中双频圆极化天线的俯视图；
27.图3为一个实施例中双频圆极化天线的第一贴片层的俯视图；
28.图4为一个实施例中双频圆极化天线的第二贴片层的俯视图；
29.图5为一个实施例中双频圆极化天线的侧视图；
30.图6为一个实施例中双频圆极化天线的俯视尺寸图；
31.图7为一个实施例中双频圆极化天线的侧视尺寸图；
32.图8为一个实施例中双频圆极化天线的仿真和实测的s11图；
33.图9为一个实施例中双频圆极化天线的仿真和实测的轴比图；
34.图10为一个实施例中双频圆极化天线在1176.45mhz的方向图；
35.图11为一个实施例中双频圆极化天线在1575.42mhz的方向图；
36.图12为一个实施例中双频圆极化天线的星空图；
37.图13为一个实施例中双频圆极化天线的定位结果图。
38.附图编号：
39.第一贴片层1，第一切角11，第一切槽12，第一开槽13，条带枝节14；
40.第二贴片层2，第二切角21，第二切槽22，第二开槽23，隔离环24；
41.第一介质层3，第二介质层4，地板层5，馈电探针的外介质51，馈电探针的内导体52。
具体实施方式
42.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
44.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
45.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
46.另外，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
47.如图1至图5所示，本技术提供了一种双频圆极化天线，在一个实施例中，包括：依次相叠且中心重合的第一贴片层1、第一介质层3、第二贴片层2、第二介质层4以及地板层5；
48.第一贴片层1与第二贴片层2均为正方形的结构，且每组对应边分别平行；
49.第一贴片层1的一组对角设有第一切角11，第二贴片层2的一组对角设有第二切角21；第一切角11与第二切角21均为等腰直角三角形的结构，且方向一致。
50.本实施例中，第一贴片层1、第一介质层3、第二贴片层2、第二介质层4以及地板层5均为形状规则的结构。
51.第一介质层3和第二介质层4均采用介电常数为4.4的fr-4材料。
52.优选地，第一介质层3、第二介质层4以及地板层5均为正方形的结构，且每组对应边分别与第一介质层的边平行，也就是说，第一贴片层1、第一介质层3、
53.第二贴片层2、第二介质层4以及地板层5的四条边分别对应且平行。
54.对于第一贴片层与第二贴片层，位于同一对角线上的两个角为一组对角。切角是指第一贴片层或第二贴片层的对角缺少一部分。一组对角设有切角，则第一切角和第二切角均为一组对称的结构。
55.第一切角与第二切角的方向一致是指两者设在对应贴片层的相同位置，即：第一切角设在第一贴片层的左上角和右下角且第二切角设在第二贴片层的左上角和右下角，或第一切角设在第一贴片层的右上角和左下角且第二切角设在第二贴片层的右上角和左下角。
56.当第一切角设在第一贴片层的左上角和右下角，且第二切角设在第二贴片层的左上角和右下角时，天线形成双频右旋圆极化；当第一切角设在第一贴片层的右上角和左下角，且第二切角设在第二贴片层的右上角和左下角时，天线形成双频左旋圆极化。
57.上述双频圆极化天线，在正方形的第一贴片层的一组对角设有等腰直角三角形结构的第一切角，因此使该模式下的电流相差90度从而实现对应频段的圆极化；在正方形的第二贴片层的一组对角设有等腰直角三角形结构的第二切角，因此使该模式下的电流相差
90度从而实现对应频段的圆极化；一对等腰直角三角形结构的第一切角和第二切角，其斜边可以将电流分成tm01和tm10两种相位相差90
°
模式的电流，超前相位的电流引导滞后相位的电流，从而在第一贴片层以及第二贴片层上形成圆形流动的电流，实现圆极化；本技术利用多层堆叠技术实现层叠双频天线，第一贴片层与第二贴片层各自负责一个频段，第一贴片层负责高频点谐振，第二贴片层负责低频点谐振，两层叠加实现双频带天线，在此基础上，第一切角与第二切角叠加，实现双频圆极化天线。
58.在一个实施例中，第一贴片层1的另一组对角设有第一切槽12，第一切槽12为矩形的结构，且第一切槽12的一组相邻边分别与第一贴片层1的一组对应的相邻边重合；
59.第二贴片层2的另一组对角设有第二切槽22，第二切槽22为对称的l形的结构，且第二切槽22的一组外侧的相邻边与第二贴片层2的一组对应的相邻边重合。
60.本实施例中，切槽是指第一贴片层或第二贴片层上与切角所在的对角相反的对角缺少一部分。
61.一组对角设有切槽，则第一切槽和第二切槽均为一组对称的结构。需要说明：第一切槽有两种方式，可以是第一切槽的长度方向沿着水平方向，也可以是第一切槽的长度方向沿着垂直方向，也就是说，一组第一切槽是关于第一贴片层的中心呈中心对称的结构；一组第二切槽关于第二贴片层的中心呈中心对称，且关于第二贴片层的对角线呈轴对称。
62.现有技术中，利用两种电流相差90
°
的原理拓展圆极化的带宽，而本技术设置了第一切槽和第二切槽，利用引导电流方向的原理(本质上还是一种电流，切断了电流的流动)，使对应圆极化的带宽更宽，圆极化性能更好。
63.在一个实施例中，第一贴片层1的中央设有第一开槽13；第一开槽13为矩形的结构，且第一开槽13的长度方向与第一切角11的斜边平行；
64.第二贴片层2的中央设有第二开槽23；第二开槽23为矩形的结构，且第二开槽23的长度方向与第二切角21的斜边平行。
65.本实施例中，开槽是指第一贴片层或第二贴片层的中央缺少矩形的一部分。
66.优选地，第一开槽13与第二开槽23不重合，因此可以对应不同的频段。
67.第一开槽、第二开槽与贴片层(第一贴片层或第二贴片层)的边长呈45
°
角，则第一开槽和第二开槽的长边和短边切断了内部电路流动，形成局部电流谐振点，使谐振点在原本谐振点附近，实现了天线在不同频段的阻抗匹配，拓宽了阻抗带宽，使天线的s11阻抗带宽更宽。
68.在一个实施例中，第一介质层3上还设有一组l形结构的条带枝节14；
69.条带枝节14设在第一切槽12的外侧并与第一贴片层1具有间隙；条带枝节14的对称轴与第一贴片层1的对应对角线重合。
70.本实施例中，对称的l形结构的条带枝节可以吸附相邻贴片上的电流，引导电流从条带枝节的短边向长边流动，使电流呈圆形流动；并能调控阻抗，在高频段起到调谐作用，使谐振深度更大，反射系数更优，传输效率更高，圆极化带宽和阻抗带宽均更宽，实现更稳定的圆极化性能。
71.在一个实施例中，第一贴片层1、第一介质层3、第二贴片层2、第二介质层4以及地板层5均为中心对称的结构，且中心重合。
72.也就是说，第一切角、第二切角、第一切槽、第二切槽、第一开槽、第二开槽以及条
带枝节均为一组中心对称的结构，因此，有利于提高天线的圆极化性能。
73.在一个实施例中，还包括：馈电探针；
74.馈电探针的外介质51与地板层相连，馈电探针的内导体52依次穿过地板层5、第二介质层4、第二贴片层2、第一介质层3后与第一贴片层1相连。
75.优选地，馈电探针与天线的中心不重合。
76.本实施例中，两层贴片层采用同轴馈电，馈电探针与第一贴片层之间直接接触馈电，与第二贴片层之间耦合馈电，避免了两者都是接触馈电导致的电流不持续流通。
77.在一个实施例中，第二贴片层2上设有通孔作为隔离环24，以使同轴馈电探针的内导体52穿过第二贴片层2且与第二贴片层2隔离，避免了馈电探针与第二贴片层2接触，保证第二贴片层2处于耦合馈电状态。
78.在一个实施例中，馈电探针的外导体51的底部与地板层5相连，顶部与隔离环24相连，以减小天线的尺寸。
79.上述双频圆极化天线，设置了金属的第一贴片层、第二贴片层以及地板层，还设计了非金属的第一介质层以及第二介质层，利用多层堆叠技术实现双频圆极化天线，改变天线的尺寸，就可以实现对应频段的双频圆极化，从而搜索到更多的卫星，最终实现高定位精度的双频圆极化天线。
80.如图6至图7所示，在一个具体的实施例中，在第一贴片层和第二贴片层的左上角和右下角分别设置了第一切角与第二切角，在右上角和左下角分别设置了第一切槽和第二切槽，在中央设置了第一开槽与第二开槽，第一介质层的轮廓与第二贴片层的正方形轮廓相同，第二介质层的轮廓与地板的轮廓相同。
81.天线的具体尺寸为：
82.l＝80mm，l1＝61mm，l2＝45.5mm，l3＝25.5mm，l4＝22mm，l5＝14mm，l6＝12mm，l7＝10mm，w1＝3mm，w2＝4mm，w3＝2mm，w4＝3mm，w5＝3mm，w6＝1.5mm，k1＝17mm，k2＝9.9mm，d＝11mm，h1＝3mm，h2＝1.6mm。
83.因此实现了用于北斗卫星系统的层叠结构的双频圆极化贴片天线，工作于北斗的b1和b2频段，其中，第一贴片层实现了高频段1569-1586ghz的右旋圆极化，第二贴片层实现了低频段1140-1229ghz的右旋圆极化。
84.在制作天线的实物时，可以使用sma接头。
85.图8为天线反射系数的仿真和测试结果，在低频测试结果谐振深度略低于仿真数值，但是实测的带宽比仿真结果要更宽，在高频实测的谐振点要向低频偏移一点，这种仿真和实测的误差主要来源于加工和焊接的不稳定性。测量的s11带宽在低频和高频处的带宽分别为89mhz(1140-1229mhz)和41mhz(1544-1585mhz)。
86.图9比较了仿真和测试的轴比带宽，可以观察到测量的轴比带宽和仿真的轴比带宽吻合良好，在低频附近的3db轴比带宽为1.7％(1165-1185mhz)，在高频附近的轴比带宽为1.1％(1569-1586mhz)，且轴比带宽都在-10db反射系数带宽范围之内。
87.图10和图11分别是低频和高频的方向图，方向图主瓣吻合良好，后瓣由于制造焊接误差导致结果有所区别。同时低频增益为1dbi，高频增益达到6dbi，与仿真吻合良好。
88.为了检验加工天线的实际性能表现，我们搭建了gnss接收机平台用来测试天线的搜星和定位能力。gnss板卡采用的是司南导航的k708高精度全频定位芯片，gnss信号放大
器的增益约为28db(北斗全频段)。实验结果如图12和图13所示。
89.如图12所示，从星空图上我们看到加工天线能跟踪到17颗北斗卫星，其中b1跟踪到16颗，b2跟踪到12颗，表明加工的天线具有优越的跟踪卫星能力。
90.图13中给出了相关定位信息，纬度精度和经度精度都控制在米级以内，表明天线工作良好，导航定位服务良好，是一款性能卓越的北斗导航定位天线，具有投入导航市场的潜能。
91.上述双频圆极化天线，是一款层叠式双频圆极化北斗天线，采用合适的切角、切槽、开槽和加载寄生单元(即条带枝节)的方法实现了良好的圆极化性能，天线在1140-1229mhz和1569-1586mhz频段内反射损耗小于-10db，两个频带的轴比带宽均大于1％，增益最高可达6dbi，天线的整体尺寸为70mm*70mm*4.6mm，加工实测结果与仿真结果吻合良好，并且通过搭建的gnss接收机平台检验了天线跟踪卫星能力，在gnss接收机试验中，天线搜星数量能达到17颗以上，实际定位精度在米级以内。综合测试结果表明设计的天线是一款小体积、高性能的北斗天线，具有很大的工程应用价值。
92.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
93.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。