商 鋒, 卿藝倬

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定相位中心圓極化微帶天線

商 鋒, 卿藝倬

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

北斗系統(tǒng)中，圓極化天線的相位中心穩(wěn)定性是高精度導(dǎo)航定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為達到這一技術(shù)要求，設(shè)計了一種一分四饋電網(wǎng)絡(luò)，通過幅度相等、相位依次相差90°的四點饋電方式，實現(xiàn)圓極化。同時采用HFSS仿真軟件對饋電點位置進行優(yōu)化，提高相位中心穩(wěn)定度。仿真結(jié)果顯示，該天線相位中心穩(wěn)定度達到1.104mm，同時圓極化輻射性能優(yōu)越，具備很強的工程應(yīng)用價值。

相位中心；多點饋電；圓極化；微帶天線

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以及導(dǎo)航定位精度的不斷提高，相位中心的偏差及穩(wěn)定性對于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高精度定位有著不可忽視的影響。以往對于微帶天線研究著重在帶寬的改善和增益的提高上，而天線相位中心會隨著所接收電磁波的方向而變化，因此提高相位中心穩(wěn)定性成為研究的關(guān)鍵[1-2]。

文獻[3]提出了一種工作于L1頻段四饋點微帶天線，獲得了較好的相位中心穩(wěn)定性。本文基于上述理論現(xiàn)狀，介紹一種圓極化微帶天線，在文獻[3]的基礎(chǔ)上不僅提高了相位中心穩(wěn)定度，同時具有優(yōu)越的圓極化輻射特性，并應(yīng)用于北斗B3頻段。設(shè)計一分四路饋電網(wǎng)絡(luò)，并采用同軸線饋電，提供了幅度相等、相位依次相差90°的4路信號。與傳統(tǒng)單、雙饋點的設(shè)計相比，這種均勻?qū)ΨQ饋電的設(shè)計結(jié)構(gòu)對于相位方向圖的相位差有了很好的改善，保證穩(wěn)定的相位中心。通過仿真優(yōu)化分析，文中的微帶天線的相位中心穩(wěn)定性有很大的提高，實現(xiàn)了右旋圓極化輻射特性，同時對于帶寬展寬及軸比也有很好的提高。

1 天線的設(shè)計與分析

2.1 圓極化與相位中心的理論

一個圓極化波可以分解為時間和空間上均等幅正交的兩個線極化波，也就是說，產(chǎn)生相位相差90°、振幅相等的兩個空間上正交的線極化波，即為圓極化波輻射的基本原理[4]。

對于大多數(shù)非理想天線，在全空間范圍內(nèi)都適用的相位中心并不存在。不同方位角的平面內(nèi)，天線的相位中心將位于不同的點上；同時在同一方位角的平面內(nèi)，不同仰角范圍對應(yīng)的相位中心也不在同一點上，稱為天線的相散。由此通常在天線主波束范圍一定角度內(nèi)近似找到一點，使得各等相位面相位波動最為平坦。一般的，把天線轉(zhuǎn)軸置于該點時所測得的遠(yuǎn)場相位波動峰峰值的二分之一所對應(yīng)的波程距離稱為相位中心穩(wěn)定度，表達式為

(1)

式中Δm為相位中心穩(wěn)定度，Δφ為相位波動的峰峰值，λ為波長[5-6]。

對于大多數(shù)天線而言饋電點數(shù)目越多，結(jié)構(gòu)對稱性越好，相位中心穩(wěn)定性越好[7]。因此相比于傳統(tǒng)雙點饋電設(shè)計相位中心不穩(wěn)定的問題，同時實現(xiàn)圓極化輻射特性，文中提出一種4點均勻?qū)ΨQ饋電方式，提供4個等幅正交，相位依次為0°、90°、180°、270°的信號以保證相位中心的穩(wěn)定和接收圓極化波。

2.2 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計

現(xiàn)給出一種同軸饋電矩形微帶天線，用于北斗B3頻段，中心頻率1 268.53 MHz，帶寬±10.23 MHz。采用易于加工和調(diào)試的正方形貼片作為輻射單元，其結(jié)構(gòu)上的對稱性與圓形貼片相比效率更高、波瓣更寬、帶寬性能更好，同時有利于改善天線軸比[8]。根據(jù)微帶天線理論經(jīng)驗公式，對于較高頻率輻射器，輻射單元寬度是

(2)

式中fr為諧振頻率，c為光速，er為天線介質(zhì)基板介電常數(shù)。若選用寬度小于上式寬度，輻射效率會降低；寬度過大，雖然效率提高，但易產(chǎn)生高次模，形成場的畸變[9]。為展開帶寬，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為3.5、厚度為3 mm的聚四氟乙烯，該材料具有介電損耗小、介電常數(shù)低、一致性好等優(yōu)點，常用于要求比較高的射頻微波電路上。饋電方式采用同軸探針饋電，可選在輻射貼片任意所需位置便于匹配。

如圖1所示天線HFSS設(shè)計模型，饋電點對稱分布于x、y軸正負(fù)半軸上，輻射貼片邊長為58 mm，饋電點距中心位置24.2 mm，支節(jié)帶線長8 mm，寬9.8 mm。

圖1 HFSS中天線的三維模型

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計采用一分兩個并聯(lián)的帶狀線T型結(jié)功分器如圖2所示，產(chǎn)生一分四的功率分配以及四路等幅、沿逆時針依次滯后90°的相位差信號，保證實現(xiàn)右旋圓極化輻射。

圖2 HFSS中饋電網(wǎng)絡(luò)的三維模型

2 仿真結(jié)果分析

應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件對天線進行建模仿真，進行優(yōu)化得出天線軸比、增益、輻射方向圖以及相位方向圖，如圖3和圖4所示。

圖3 天線的軸比結(jié)果

圖4 天線的輻射方向圖

圖3中可以看出，天線在最大輻射方向軸比為0.13 dB，在10°仰角內(nèi)軸比小于3 dB；圖4所示輻射方向圖中顯示，天線正前方最大增益6.15 dB，30°仰角增益大于1.5 dB，天線圓極化特性很好。

圖5所示天線中心頻率1.268GHz，Theta角±80°內(nèi)各方位面遠(yuǎn)場相位方向圖。其中每條線代表每一個方位面上的遠(yuǎn)場相位方向圖，Phi角從0°～360°，每隔30°取一個方位面。可以看出Theta角±80°內(nèi)，各方位面的遠(yuǎn)場電矢量相位保持一條直線，表明較穩(wěn)定的相位中心。各方位面最大相位差如表1所示。

表1 各方位面天線最大相位差及相位中心穩(wěn)定度

圖5 各方位面遠(yuǎn)場相位方向圖

圖6中看出Phi角120°的方位面遠(yuǎn)場電矢量相位最大相差3.37°，相位中心穩(wěn)定度Δm=1.104 mm，表明天線相位中心穩(wěn)定。

對饋電網(wǎng)絡(luò)進行建模仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7可以看出，在中心頻率1.268 GHz處功分器的四個傳輸系數(shù)分別為-5.66 dB，-6.42 dB，-5.99 dB，-6.46 dB，S11接近-40 dB，表明其等分輸出并且損耗?。粓D8所示功分器在中心頻率1.268 GHz處相位分別為-139°，130°，38°，51°，其相位差在90°左右，滿足天線圓極化特性。

圖6 Phi角120°方位面遠(yuǎn)場相位方向圖

圖7 饋電網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)結(jié)果圖

圖8 饋電網(wǎng)絡(luò)的相位對比圖

3 結(jié)論

本文介紹一種均勻?qū)ΨQ四點饋電方式的微帶天線，結(jié)合所設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)在北斗B3頻段(1 268.53±10.23 MHz)上接收右旋圓極化波。通過HFSS軟件仿真結(jié)果看出，天線具有較高的增益，相位中心穩(wěn)定性好，軸比特性滿足工程需要，達到了良好的匹配。對于衛(wèi)星定位導(dǎo)航和通信系統(tǒng)中，尤其在具有高精度、零相心要求領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

[1] Dozar D M，Duffy S M，A dual-band circularly polarized aperture-coupled stacked microstrip antenna for global positioning satellite[J]．IEEE Trans on Antennas and Propagation，1997，45(11)：1618-1625.

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[8] 趙紅梅，牛艷娟，劉藤．小型雙頻圓極化微帶天線[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，268(5):87-88．

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[責(zé)任編輯:孫書娜]

Circular polarized microstrip antenna with stable phase center based-on BDS

SHANG Feng, QING Yizhuo

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

The stability of antenna phase center is important to navigate and locate precisely in BeiDou System. To meet the technical requirements, a four ways feed network is designed. By using four points feed method which amplitude is equal and phase difference is 90 degree in proper sequence, the circular polarized performance is realized. By using the HFSS simulation software to optimize the location of point feed, the stability of the antenna phase center is enhanced. Simulation results show that the stability of the antenna phase center is up to 1.104 mm, and at the same time, the circular polarized radiation performance of antenna is excellent, which indicate that the antenna has great engineering application value.

phase centern, points feed, circular polarized, microstrip antenna

2014-08-21

商鋒(1966-)，男，教授，碩導(dǎo)，主要從事天線理論與工程的研究。E-mail:476436868@qq.com 卿藝倬(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為射頻與微波電路。E-mail: piercelala@126.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.018

TN827+.2

A

2095-6533(2015)01-0089-05