摘要：基于微帶天線技術(shù)提出一種應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的新型天線設(shè)計。該天線采用FR?4襯底上的彎曲微帶和含有通孔的微帶貼片實(shí)現(xiàn)。天線的小型化設(shè)計可使其更好地應(yīng)用于北斗導(dǎo)航之中。與此同時，與常規(guī)的天線相比，該天線擁有更好的反射系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這里設(shè)計的天線非常適用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)而可應(yīng)用于車輛導(dǎo)航系統(tǒng)之中。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)； 微帶天線； 天線設(shè)計； 衛(wèi)星信號接收

中圖分類號： TN965+.2?34； TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0058?03

0 引 言

中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正在迅速的發(fā)展，并將廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的民用信號頻率（L1）為（1 575.42±10） MHz。為了良好地接收北斗系統(tǒng)的信號，衛(wèi)星信號的接收天線性能至關(guān)重要。天線的性能受多種因素的制約，例如天線的尺寸，多徑效應(yīng)，帶寬和反射系數(shù)（S11）等等。其中，反射系數(shù)和帶寬是關(guān)鍵性因素。圓極化（Circular Polarization，CP）微帶天線廣泛應(yīng)用于無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks， WLAN），全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS），移動衛(wèi)星，無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）等領(lǐng)域[1]。憑借著小尺寸、高性能的優(yōu)勢，微帶天線亦將在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的天線設(shè)計技術(shù)包括陣列天線[2]、螺旋天線[3]和短路環(huán)形貼片（Shorted Annular Patch，SAP）天線[4]。雖然大多數(shù)現(xiàn)有的解決方案可以提供期望的輻射特性，但是尺寸和重量方面的劣勢導(dǎo)致它們在很多的實(shí)際應(yīng)用中不具有可行性。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用三角形貼片的雙頻帶天線設(shè)計，該設(shè)計在三角形貼片的兩個角上添加了額外的臂長。其設(shè)計的小尺寸天線可以覆蓋高頻頻帶，通過在主體上添加額外的諧振元件，亦可以覆蓋到低頻頻段。此外，文獻(xiàn)[6]中設(shè)計的天線通過采用具有較高介電常數(shù)（[εr=]15.5）、在地平面上嵌入四個槽的襯底，可以減小天線的尺寸，使天線在雙頻帶的模式下工作。

盡管研究人員提出許多的方法，但是由于信號接收中心頻率，輻射增益等參數(shù)的原因，現(xiàn)有方法均不能很好地應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。在本文中提出符合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)需求的單頻帶天線的設(shè)計。

1 基于微帶線技術(shù)的北斗天線的設(shè)計

目前用微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有以下四種方法：正交饋電的單片圓極化微帶天線，一點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線，曲線微帶構(gòu)成的寬帶圓極化微帶天線和微帶天線陣構(gòu)成的圓極化微帶天線。本文采用曲線微帶構(gòu)成的寬帶圓極化微帶天線，其擁有很好的圓極化輻射特性。

本文采用HFSS 軟件進(jìn)行微帶天線的設(shè)計及仿真。本文的天線設(shè)計如圖1所示。這種新型的雙頻天線采用位于兩個不同層的微帶的FR4襯底（厚度為1.6 mm，[εr]為4.4）實(shí)現(xiàn)。這兩層的微帶為傳輸介質(zhì)，用于耦合接收信號。此外，這種設(shè)計方法可以有效地減小天線的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計。緊湊的設(shè)計非常適用于手持式和移動設(shè)備。天線的工作頻率（L1波段）可以進(jìn)行調(diào)整，以適用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1 單頻帶北斗導(dǎo)航系統(tǒng)天線設(shè)計

圖2為模擬頻率響應(yīng)，相關(guān)的輻射方向圖如圖3所示。在極化圖上，該信號非常好，大約在-90°～90°之間，在該區(qū)域，信號可由本文設(shè)計的新型天線良好接收。天線的工作頻率在1.575 GHz左右，并擁有較好的27 dB的回波損耗（S11）。

圖2 單頻帶天線的模擬頻率響應(yīng)

圖3 新穎的緊湊型單頻帶天線的輻射圖

天線在立體空間會向各個方向輻射出能量，而衡量輻射能量的指標(biāo)是增益。增益即是在輸入功率相等的條件下，也就是實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比，可用下式表示：

[G=10lg PrealPideal]

式中變量[G]是天線的輻射增益，[G]值的大小代表該信號性能的好壞，較大的[G]值說明在這個頻率上信號較好，而弱[G]值則代表弱信號。在本天線的設(shè)計中，要獲得良好的信號，[G]值通常需要大于3 dB。當(dāng)輸入功率[Pinput]相同的情況下，[Pideal]是在理想的情況下特定位置上的輻射功率，而[Preal]是在同一位置上的實(shí)際輻射功率。由圖3可以看出，增益[G]高于13.40 dB。因此，電場輻射增益足夠強(qiáng)大。根據(jù)輻射增益的理論，本設(shè)計能滿足應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)信號的良好接收。而且，幾乎在所有方向上，信號都非常好。所以這種設(shè)計方法可應(yīng)用于北斗應(yīng)用系統(tǒng)。工作頻率大約為1.575 GHz，與相關(guān)的協(xié)議匹配。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測量結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的天線設(shè)計方案，實(shí)驗(yàn)中基于FR?4（厚度1.6 mm，[εr=]4.4）襯底實(shí)現(xiàn)。所制造的天線的實(shí)物圖如圖4所示。圖中微帶天線放置在兩個不同層面上。在兩個層的微帶可視為用于耦合接收信號的傳輸介質(zhì)。此外， 此微帶設(shè)計方法通過減小尺寸來實(shí)現(xiàn)天線的小型化。

圖4 所制作的單頻天線羅盤的應(yīng)用

本微帶天線所獲得的測量結(jié)果見圖5?？梢钥闯觯瑢?shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的天線以27 dB的回波損耗工作在1.57 GHz的中心頻率。此外，微帶天線的尺寸非常小，規(guī)格為60 mm×25 mm。測量結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計的可行性。

圖5 實(shí)驗(yàn)中測量的單頻帶天線的頻率響應(yīng)

為了比較本文所提出的方案與現(xiàn)有設(shè)計的性能，表1列出本文設(shè)計天線和部分參考文獻(xiàn)中天線的性能比較。由表1可以看出，本文設(shè)計的天線的體積最小，僅為60 mm×25 mm。同時，本設(shè)計獲得了高達(dá)18.5 dB的輻射增益，且反射系數(shù)（S11）為-22 dB。此外，本文所提出的設(shè)計可以調(diào)整微帶線的長度以獲取不同的天線中心頻率。

綜上，本文所提出的天線設(shè)計方案可以被用于設(shè)計接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的民用信號（1.575 GHz），相比于現(xiàn)有的設(shè)計方法，本文所提出的方案有一定的優(yōu)勢。

表1 本文中的天線設(shè)計與其他天線設(shè)計性能比較

3 結(jié) 語

本文提出一種用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的天線設(shè)計。該微帶天線由DGS層和第二層組成。在兩個層的微帶可視為傳輸介質(zhì)用于耦合接收信號。測得的輻射方向圖表明，天線具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、緊湊性、重量輕和成本低等特點(diǎn)，也證明了所提出的天線設(shè)計的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] WONG K L. Compact and broadband microstrip antennas [M]. USA： John Wiley and Sons， 2002.

[2] PADROS N， ORTIGOSA I， BAKER J， et al. Comparative studies of high?performance GPS receiving antenna designs [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagat， 1997， 45： 698?706.

[3] TRANQUILLA J M， BEST S R. A study of quadrifilar helix antenna for global positioning system applications [J]. IEEE Tran?sactions on Antennas Propagat， 1990， 38： 1545?1550.

[4] MASSA G D， MAZZARELLA G. Shorted annular patch antenna [J]. Microwave Optical Technol Letters， 1995， 8： 218?222.

[5] CHU Q X， YE L H. Design of compact dual?wideband antenna with assembled monopoles [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2010， 58（12）： 4063?4066.

[6] LIN Shun?yun， HUANG Kuang?chi. A compact microstrip antenna for GPS and DCS application [J]. IEEE Transactions on Antennas. Propag， 2005， 53（3）： 1227?1229.

[7] BOCCIA L， AMENDOLA G， MASSA G D. A dual frequency microstrip patch antenna for high?precision GPS applications [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 157?160.

[8] WANG Mo?ran， DENG Xiao?qiao， GU Chang?qing. Tri?band GPS antenna with low?multipath ground plane [C]// Proceedings of International Symposium on Signals， Systems and Electro?nics. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 111?118.

[9] ASILIO J T， WILLIAMS DR， JACKSON M A， et al. A comparative study of a new GPS reduced?surface?wave antenna [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2005， 4： 233?236.

[10] HUANG C Y， LING C W， KUO J S. Dual?band microstrip antenna using capacitive loading [J]. IEE Proceedings of Microwaves， Antennas and Propagation， 2003， 150（6）： 401?404.