摘 要：給出了一款應(yīng)用于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（CNSS）B1頻段/S頻段的雙頻圓極化縫隙天線的設(shè)計方法。該天線采用微帶線進(jìn)行饋電，在地板上開有兩個方形螺旋槽，其總槽長度大約均為一個自由空間操作波長。通過調(diào)節(jié)螺旋槽的終點處的長度即可獲得最適宜的軸比，從而實現(xiàn)圓極化。另外，還可以通過調(diào)節(jié)螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬。在地板中央切去一個圓環(huán)形槽可增大感應(yīng)電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。通過仿真軟件HFSS對天線結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并制作實物。其仿真及實測結(jié)果表明：回波損耗小于-10 dB的阻抗帶寬為38.5%，且在阻抗帶寬內(nèi)天線的相對軸比帶寬也達(dá)到了大約5%。

關(guān)鍵詞：雙頻圓極化；螺旋槽；回波損耗；軸比

中圖分類號：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0027-03

0 引 言

由于圓極化天線具有接收效率高、抗多徑反射、抗干擾等性能優(yōu)點，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。具有多頻段、圓極化和寬帶特點的移動導(dǎo)航終端天線是近年來衛(wèi)星導(dǎo)航天線研究的熱點[1]。在文獻(xiàn)[2]中， 提出了一種寬帶圓極化縫隙天線，在地板上開有單線波圓形螺旋槽來實現(xiàn)圓極化，但缺點是不容易確定所需的圓形螺旋槽的尺寸，圓極化的實現(xiàn)難度較大。為了解決這一問題，在文獻(xiàn)[3]中提出了一種利用空間順序旋轉(zhuǎn)技術(shù)的寬帶圓極化縫隙天線，在地板上開有單個方形螺旋槽來實現(xiàn)圓極化，但是需要同時調(diào)節(jié)方形螺旋槽的始端和末端的長度來實現(xiàn)圓極化，導(dǎo)致圓極化的實現(xiàn)難度增大。本文設(shè)計了一種更簡單的微帶線饋電的圓極化縫隙天線，在地板上開有兩個方形螺旋槽，該結(jié)構(gòu)只需要同步調(diào)節(jié)螺旋槽的末端的長度即可實現(xiàn)圓極化。另外，還可以通過調(diào)節(jié)螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬；在地板中央切去一個圓環(huán)形槽以降低圓極化的中心頻率。應(yīng)用仿真軟件HFSS對該天線進(jìn)行仿真優(yōu)化，并制作了實物。仿真及實測結(jié)果表明，該天線的相對駐波帶寬達(dá)到38.5%，相對軸比帶寬達(dá)到約5%。

1 天線設(shè)計

該天線印制在一塊厚度為1 mm，相對介電常數(shù)為4.4，損耗角正切為0.019的低耗FR4介質(zhì)基板上，該基板的平面尺寸為L0×W0。在它的正面印制天線的輻射貼片單元，背面印制微帶饋線。圖1（a）中，在地板上開有兩個方形的螺旋槽，每個方形螺旋槽外側(cè)的長度從內(nèi)到外均依次為L，L+w，L+2w，L+3w，L+4w，L+5w。此處，w為方形螺旋槽的寬度，d為方形螺旋槽末端枝節(jié)長度的調(diào)節(jié)量，通過調(diào)節(jié)d的大小可以獲得最適宜的軸比，從而實現(xiàn)圓極化。每個方形螺旋槽外側(cè)的總長度均為6L+15w-d，大約為所需諧振頻率處的一個自由空間操作波長。在地板的中心位置切去一個圓環(huán)形槽，增大感應(yīng)電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。該圓弧形槽的外半徑為R1，內(nèi)半徑為R2。微帶饋線的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，微帶饋線設(shè)計為50 Ω，其導(dǎo)電貼片的寬度為Wf，末端的兩個開路枝節(jié)均位于地板上的方形螺旋槽的中央，分別與SMA射頻接頭相連接。通過電磁仿真軟件HFSS 14.0進(jìn)行建模仿真，對各項參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，得到最佳參數(shù)尺寸如下：L0=100mm，W0=65 mm，R1=7 mm，R2=4 mm，L=22 mm，w=2mm，d=1.5mm，Wf=3 mm。

2 仿真與實測結(jié)果

根據(jù)上述仿真優(yōu)化的結(jié)果，加工并制作了天線實物，如圖2所示。圖2（a）為天線正面圖，圖2（b）為天線背面圖。為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用Agilent E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實際測量了天線的S參數(shù)，并將實測和仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。由于實驗條件的限制，未能對天線的軸比、方向圖等參數(shù)進(jìn)行實際測量。

（a） 天線正面圖 （b） 天線背面圖

天線回波損耗的仿真結(jié)果如圖3所示。可以看出，該天線在頻段1.35～1.78 GHz，2.35～2.63 GHz內(nèi)的S11均小于-10 dB，相對駐波帶寬達(dá)到38.5%，滿足指標(biāo)要求。天線在1.3～2.7 GHz內(nèi)增益的仿真曲線圖如圖4所示，可看出天線在中心頻率附近處的增益都較好，整體輻射性能達(dá)到要求。

天線軸比隨頻率變化的仿真曲線如圖5所示。其中，圖5（a）為1.575 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化的仿真曲線，圖5（b）為2.492 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化的仿真曲線。從圖中可以看到頻率在1.56～1.60 GHz范圍和2.47～2.53 GHz范圍內(nèi)天線軸比均小于3 dB，相對軸比帶寬達(dá)到約5%，有著良好的圓極化特性。

（a） 1.575 GHz頻率處附近的軸比曲線

（b） 2.492 GHz頻率處附近的軸比曲線

該天線的結(jié)構(gòu)決定了其具有雙面輻射的特性。天線在中心頻率1.575 GHz和2.492 GHz處的仿真歸一化方向圖分別如圖6（a）、圖6（b）所示。從兩幅圖可以看出天線在正面輻射的右旋圓極化波的增益遠(yuǎn)大于左旋圓極化波的增益，故在正面輻射右旋圓極化波。與此相反，在背面輻射的為左旋圓極化波。

（a） 1.575 GHz處的方向圖

（b） 2.492 GHz處的方向圖

頻率在1.575 GHz，2.492 GHz時天線圓極化軸比隨角度變化的曲線分別如圖7（a）、（b）所示，從圖7可見，該天線在中心頻點處的軸比小于3 dB的波束寬度，大約達(dá)到了65°。

3 結(jié) 語

本文提出了一種微帶線饋電的雙頻段圓極化縫隙天線。在地板上開有兩個方形螺旋槽，并通過同步調(diào)節(jié)這兩個方形螺旋槽末端的長度即可獲得最適宜的軸比，從而實現(xiàn)圓極化。另外，還可以通過調(diào)節(jié)方形螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬；在地板中央切去一個圓環(huán)形槽以增大感應(yīng)電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。仿真及實測結(jié)果表明，天線相對阻抗帶寬達(dá)到38.5%，且在阻抗帶寬內(nèi)天線的相對軸比帶寬也達(dá)到了大約5%。該天線具有低剖面和結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的特點，且結(jié)構(gòu)簡單易于制造，具有一定的實際應(yīng)用價值。

參 考 文 獻(xiàn)

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