王喜龍，魏昆

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠(chǎng)軍事代表室，遼寧葫蘆島125000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)中的多層圓極化微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

王喜龍1，魏昆2

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠(chǎng)軍事代表室，遼寧葫蘆島125000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)有時(shí)需要在較小的區(qū)域中放置多個(gè)不同頻率的圓極化接收天線(xiàn)。通過(guò)研究并設(shè)計(jì)出一種GPS的L1和L2雙頻點(diǎn)雙層疊放圓極化天線(xiàn)，可以在很大程度上節(jié)約空間。該天線(xiàn)上下層是兩個(gè)獨(dú)立的單饋點(diǎn)天線(xiàn)，可以分別在L1和L2頻段獨(dú)立工作，分別為右旋圓極化和左旋圓極化，可作接收天線(xiàn)和發(fā)射天線(xiàn)。天線(xiàn)由厚度為4 mm的復(fù)合材料加工而成，調(diào)試和組裝均比較方便。經(jīng)過(guò)仿真分析優(yōu)化，設(shè)計(jì)的天線(xiàn)增益較高，極化特性?xún)?yōu)良，帶寬滿(mǎn)足要求，完全適合于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用。

圓極化；微帶天線(xiàn)；雙層疊放；單饋點(diǎn)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天線(xiàn)性能的要求也越來(lái)越高，以往單純的線(xiàn)極化天線(xiàn)己很難滿(mǎn)足人們的需求。圓極化微帶天線(xiàn)[1?6]由于結(jié)合了微帶天線(xiàn)諸如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、剖面低、容易制造、易于集成并可附著于任意表面等優(yōu)點(diǎn)和圓極化波能抑制雨霧的干擾、抗多徑反射、具有更好的移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、移動(dòng)通信以及各種無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備當(dāng)中。隨著這些系統(tǒng)的發(fā)展，越來(lái)越需要多頻點(diǎn)圓極化微帶天線(xiàn)。

多頻段天線(xiàn)最常見(jiàn)的形式包括多層天線(xiàn)[7]和縫隙天線(xiàn)[8]。一般多層天線(xiàn)通常是相同極化模式的雙頻點(diǎn)天線(xiàn)，而縫隙天線(xiàn)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)雙頻點(diǎn)多層圓極化微帶天線(xiàn)，兩個(gè)頻點(diǎn)分別是：GPS的L1：1.575 42 GHz，L2：1.227 6 GHz。天線(xiàn)結(jié)構(gòu)共有兩層，上下兩層均采用單饋點(diǎn)切角結(jié)構(gòu)[9]，分別用同軸線(xiàn)饋電，共有兩個(gè)饋電口，L1頻點(diǎn)天線(xiàn)是左旋圓極化天線(xiàn)，L2頻點(diǎn)天線(xiàn)是右旋圓極化天線(xiàn)，可作為發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)使用。使用HFSS軟件給出天線(xiàn)的仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)雙層L1和L2右旋圓極化微帶天線(xiàn)，具有較低的軸比，較好的帶寬特性和較高的增益。

天線(xiàn)模型如圖1所示，在直徑100 mm的金屬底板上放置兩層單饋電右旋圓極化微帶天線(xiàn)，上層L1頻段天線(xiàn)，下層L2頻段天線(xiàn)，天線(xiàn)采用同軸線(xiàn)饋電方式，有兩個(gè)饋電點(diǎn)（相對(duì)位置差90°）分別對(duì)上、下兩層天線(xiàn)饋電，上層天線(xiàn)的饋電同軸線(xiàn)從下層天線(xiàn)通孔穿過(guò)。

圖2給出影響天線(xiàn)性能的3個(gè)變量，a是方形貼片的邊長(zhǎng)，決定諧振頻點(diǎn)的位置，a越大，諧振頻點(diǎn)越小，反之亦然；饋電點(diǎn)位置尺寸b主要影響天線(xiàn)輸入阻抗。以上兩個(gè)參數(shù)對(duì)天線(xiàn)性能的影響已經(jīng)在經(jīng)典微帶天線(xiàn)理論中有所體現(xiàn)，本文不做詳細(xì)分析。切角尺寸c的長(zhǎng)度決定極化簡(jiǎn)并分離單元Δs，這對(duì)單饋電圓極化微帶天線(xiàn)的圓極化性能有著至關(guān)重要的影響。

圖1 雙層天線(xiàn)模型

圖2 天線(xiàn)貼片尺寸示意圖

2 天線(xiàn)仿真

本文主要分析上層L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c變化對(duì)上層和下層天線(xiàn)的影響。L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c取三組數(shù)值分別為c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真結(jié)果如圖3～圖8所示，每個(gè)圖形中都有三條曲線(xiàn)，分別是天線(xiàn)的某一個(gè)性能指標(biāo)在L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c變化下所對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)。其中虛線(xiàn)為c=5 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)為c=5.5 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線(xiàn)，點(diǎn)線(xiàn)為c=6 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線(xiàn)。

圖3、圖5和圖7是L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c變化對(duì)L2頻段天線(xiàn)性能影響的圖形，由圖得出上層L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c的變化對(duì)下層L2頻段天線(xiàn)性能影響不大。

圖3 L2天線(xiàn)S11參數(shù)值

圖4、圖6和圖8是L1頻段天線(xiàn)切角尺寸c變化對(duì)自身性能影響的圖形。由圖得出切角尺寸c的變化不會(huì)使諧振頻點(diǎn)發(fā)生變化，但會(huì)影響諧振深度；切角尺寸c對(duì)天線(xiàn)增益沒(méi)太大影響；切角尺寸c主要影響天線(xiàn)軸比，即圓極化性能，這與理論分析完全一致，可以通過(guò)試探法找出一個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)值。

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，L2頻段天線(xiàn)切角變化也有同樣的結(jié)論，本文沒(méi)有一一列舉。

通過(guò)綜合比較，得出一組較優(yōu)解，具體尺寸如下：

L2頻段天線(xiàn)尺寸：介質(zhì)板介電常數(shù)為3，尺寸為70 mm× 70 mm，厚度為4 mm；貼片尺寸為a=66.5 mm，b=18.4 mm，c=4.5 mm。

圖4 L1天線(xiàn)S11參數(shù)值

圖5 L2天線(xiàn)增益值

圖6 L1天線(xiàn)增益值

圖7 L2天線(xiàn)軸比值

圖8 L1天線(xiàn)軸比值

L1頻段天線(xiàn)尺寸：介質(zhì)板介電常數(shù)為3，尺寸為58 mm× 58 mm，厚度為4 mm；貼片尺寸為a=52.5 mm，b=14.9 mm，c=5.5 mm。

以下為天線(xiàn)仿真結(jié)果，圖9是天線(xiàn)S11參數(shù)值，圖中實(shí)線(xiàn)是L2頻段天線(xiàn)S11值，虛線(xiàn)是L1頻段天線(xiàn)S11值。L2頻段天線(xiàn)-10 dB帶寬共50 MHz，L1頻段天線(xiàn)-10 dB帶寬共30 MHz。

圖9 雙層天線(xiàn)S11參數(shù)值

圖10是天線(xiàn)極化參數(shù)曲線(xiàn)。從圖中可以看出，L2頻段天線(xiàn)是右旋圓極化，L1頻段天線(xiàn)是左旋圓極化。

圖10 雙層天線(xiàn)極化參數(shù)曲線(xiàn)

圖11是天線(xiàn)在方位角為0°時(shí)，天線(xiàn)的空間增益值隨俯仰角θ變化的圖形，L1頻段最大增益為8.2 dB，L2頻段最大增益為7.8 dB。L2頻段最大增益小于L1頻段最大增益，原因是下層天線(xiàn)有一部分能量被上層介質(zhì)板反射，沒(méi)有輻射到遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

圖11 雙層天線(xiàn)增益參數(shù)值

圖12是天線(xiàn)方位角φ=0°，軸比隨俯仰角θ變化的曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)表示L2頻段天線(xiàn)，虛線(xiàn)表示L1頻段天線(xiàn)。從圖中可以看出在0°<θ<60°范圍內(nèi)軸比小于3 dB，圓極化性能較好。

圖12 天線(xiàn)軸比性能

3 結(jié)語(yǔ)

由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)逐漸微小化，往往要求設(shè)計(jì)出在狹小空間上可以分別接受不同頻段信號(hào)的天線(xiàn)。多層疊放天線(xiàn)是一種解決方案，而由于天線(xiàn)層之間干擾較多，因此設(shè)計(jì)多層圓極化微帶天線(xiàn)是一項(xiàng)困難的工作。本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)的雙層疊放天線(xiàn)，可以獨(dú)立接收L1和L2頻段信號(hào)。該天線(xiàn)上下兩層均采用單饋點(diǎn)切角結(jié)構(gòu)，有良好的帶寬、增益和極化性能。

另外，針對(duì)天線(xiàn)的單饋點(diǎn)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)天線(xiàn)各項(xiàng)尺寸參數(shù)尤其是切角尺寸進(jìn)行了詳細(xì)分析。天線(xiàn)邊長(zhǎng)的大小可以影響到天線(xiàn)諧振點(diǎn)的位置，饋電點(diǎn)的位置主要影響輸入阻抗值；天線(xiàn)切角的尺寸大小主要會(huì)影響到天線(xiàn)極化軸比的性能，而對(duì)其輸入阻抗影響很小。這些分析的結(jié)論可以給天線(xiàn)設(shè)計(jì)者一些有用的建議和參考。

[1]鮑爾I J，布哈蒂亞P.微帶天線(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1985.

[2]KRAUS J D，MARHEFKA R J.天線(xiàn)[M].章文勛，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

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[6]薛虞鋒，鐘順時(shí).微帶天線(xiàn)圓極化技術(shù)概述和進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002（17）：331?336.

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[9]曾文波.方形切角圓極化微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J].廣西工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，15（3）：13?16.

Design of multi?layer circularly polarized microstrip antenna in satellite navigation receiver system

WANG Xi?long1，WEI Kun2
（1.Navy Representative Office of 431 Plant，Huludao 125000，China；2.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite naviga?tion receiver system.The double?deck circularly polarized antenna，which receives signals from the GPS withL1frequency point andL2frequency point is studied and designed to save space.The double?deck antenna consists of two separate single feed point antenna，which is working atL1frequency range andL2frequency range independently，right?hand circular polarization and left?hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna.It′s easy to debug and in?stall since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material.The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain，excellent polarization and qualifies bandwidth requirement，and it is suitable for satel?lite navigation receiver system application.

circular polarization；microstrip antenna；double?deck superposition；single feed point

TN820.1?34

A

1004?373X（2015）09?0065?03

王喜龍（1975—），男，遼寧省錦州市人，工程碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)槲炀€(xiàn)設(shè)計(jì)及研究。

2014?11?05