錢建增，張 輝，郭 濱，邢紅兵，王洪金

(1.江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.鎮(zhèn)江紅寶利電子有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GLONASS)之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端3部分組成。空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測(cè)站。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的S頻段和L頻段可以實(shí)現(xiàn)位置定位和北斗短信的收發(fā)，在日常交通特別是在海洋運(yùn)輸和漁船勞作中發(fā)揮著重要的作用。

天線作為收發(fā)信號(hào)的轉(zhuǎn)換媒介對(duì)通信系統(tǒng)至關(guān)重要。由于電磁波在穿透電離層時(shí)會(huì)發(fā)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，線極化電波信號(hào)會(huì)產(chǎn)生極化面相對(duì)入射波的旋轉(zhuǎn)，而圓極化對(duì)所有的平面極化效應(yīng)相當(dāng)且不需要地球平面作為參考，因此衛(wèi)星通信中通常采用圓極化天線［1－2］。圓極化天線的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在［3］:(1)圓極化天線可接收任意極化的來波，且其輻射波也可由任意極化天線收到。(2)圓極化天線具有旋向正交性。(3)極化波入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)旋向逆轉(zhuǎn)，不同旋向的電磁波具有較大數(shù)值的極化隔離。

北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用圓極化信號(hào)進(jìn)行傳輸，其中L頻段采用左圓極化發(fā)送終端設(shè)備的短信、定位申請(qǐng)等信息;S頻段采用右圓極化接收短信、定位信息等。天線是無線電設(shè)備中用于發(fā)射和接收電磁波的部件，其尺寸直接影響著設(shè)備體積，為減小天線對(duì)設(shè)備體積的影響，在無線通信系統(tǒng)中常采用電磁波在傳播時(shí)產(chǎn)生波長(zhǎng)縮短效應(yīng)的微帶天線。微帶天線具有剖面低，能與載體共形，制造成本低，易于批量生產(chǎn)等多功能特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、遙感、制導(dǎo)武器以及便攜式無線電設(shè)備中［4－5］。采用工作在不同頻段的多個(gè)微帶天線層疊起來，可以使天線實(shí)現(xiàn)多頻段操作。如文獻(xiàn)［6］中提出一款雙層貼片天線，利用正交饋電的方式實(shí)現(xiàn)GPS的L1、L2頻率。目前較常用的北斗終端天線尺寸較大，不利于手持移動(dòng)設(shè)備的使用。為縮小天線的尺寸，且不影響系統(tǒng)接收信號(hào)的質(zhì)量，本文提出了一種工作在L頻段和S頻段的雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)方案。雙頻北斗天線由兩層貼片構(gòu)成，上層貼片工作在高頻的S頻段，下層貼片工作在低頻的L頻段，使用單饋電法實(shí)現(xiàn)L頻段的左圓極化和S頻段的右圓極化，仿真結(jié)果表明本天線在兩個(gè)頻段的回波損耗S11均＜10 dB，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)天線的參數(shù)要求。

1 天線結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)原理

工作在L頻段和S頻段的北斗天線采用雙層貼片結(jié)構(gòu)，兩層貼片間填充高度為h1和h2、介電常數(shù)為εU和εD的介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，上層貼片為邊長(zhǎng)L1的正方形工作在S頻段用于接收北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射的右圓極化(RHCP)定位信號(hào)，下層貼片為邊長(zhǎng)L2的正方形工作在L頻段用于發(fā)射左圓極化(LHCP)短信信號(hào)。

圖1 北斗天線側(cè)視圖

1.1 天線尺寸的確定

根據(jù)傳輸線理論，基片介電常數(shù)為εr邊長(zhǎng)為L(zhǎng)厚度為h的正方形貼片所形成的天線，如圖2所示，其工作頻率為［7］

式中，c為自由空間的光速3×108 m/s;Δl為傳輸線模型的等效長(zhǎng)度;εe為等效介電常數(shù)。

根據(jù)式(1)～式(3)和天線工作頻率f，即可得到天線長(zhǎng)度L。

圖2 矩形微帶天線模型

1.2 天線右圓極化的實(shí)現(xiàn)

天線的圓極化通過對(duì)天線的兩極加入互相正交的極化波實(shí)現(xiàn)，通常采用單饋法和雙饋法。雙饋法天線由輸入端來的電磁波經(jīng)電橋移相90°后分成兩路饋電，因此，雙饋法需要引入電橋增大天線的體積。為保證天線的小型化故本天線采用單饋法，單饋法無需任何移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就可實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。基于空腔模型理論，利用兩個(gè)輻射正交極化波的簡(jiǎn)并模，并在腔體內(nèi)引入某種不對(duì)稱性，以便消除這兩個(gè)模的簡(jiǎn)并性。當(dāng)設(shè)計(jì)得當(dāng)時(shí)，其中一個(gè)模電壓的相位比所加電流超前45°，而另一個(gè)模的相位則滯后45°，故其遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)將為圓極化波［7］。

采用將貼片的對(duì)角切掉邊長(zhǎng)為a的等腰直角三角形，從而對(duì)貼片幅射的電磁場(chǎng)產(chǎn)生微擾動(dòng)的方法可以實(shí)現(xiàn)圓極化，且切掉的三角形面積與貼片天線面積之比必須滿足

其中，S為貼片的面積;ΔS為切掉的等腰三角形的面積，如圖3所示，本天線的S段天線即采用這種方法實(shí)現(xiàn)的。

圖3 產(chǎn)生右圓極化的上層天線貼片

1.3 天線小型化研究與左圓極化實(shí)現(xiàn)

便攜式設(shè)備的小型化、微型化已成為趨勢(shì)。由于天線的諧振頻率與貼片的等效諧振長(zhǎng)度成反比［8］，因此在貼片天線的表面開槽，可以增加貼片的電流路徑的長(zhǎng)度，相當(dāng)于天線的有效長(zhǎng)度增大。從而在天線諧振頻率固定的情況下，縮小了天線的幾何尺寸。

因此，下層天線采用表面開U型槽的貼片，如圖4所示，在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2的正方形貼片上開U型槽，左臂長(zhǎng)LW，右臂長(zhǎng)為RW，底邊長(zhǎng)為DW。當(dāng)U型槽的左右臂長(zhǎng)相等時(shí)，即LW=RW，天線產(chǎn)生線極化波;當(dāng)U型槽的左臂長(zhǎng)LW大于右臂長(zhǎng)度RW時(shí)可以實(shí)現(xiàn)左圓極化;而當(dāng)U型槽的左臂長(zhǎng)LW小于右臂長(zhǎng)度RW時(shí)天線輻射右圓極化波。為此，用于手持設(shè)備發(fā)送短信的L頻段天線采用不對(duì)稱臂的U型槽結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)天線輻射左圓極化波。

圖4 能夠?qū)崿F(xiàn)左圓極化波的貼片天線

由式(1)可知介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根與頻率成反比，因此增大介質(zhì)的介電常數(shù)也可有效縮小天線的尺寸。但是高介電常數(shù)會(huì)提高輻射品質(zhì)因數(shù)，從而增大天線的Q值，減小天線的帶寬。如果天線帶寬太窄，當(dāng)信號(hào)發(fā)生漂移時(shí)將無法收到帶外信號(hào)，因此介電常數(shù)又不能無限增大。

因此本天線下層介質(zhì)采用介電常數(shù)較高的Rogers RO3006。使用高介電常數(shù)(εr=6.15)且開槽的天線較使用低介電常數(shù)(εr=4.4)的正方形貼片幾何尺寸(長(zhǎng)度為43.6 mm)減小24%。

2 天線仿真結(jié)果與分析

應(yīng)用Ansoft公司的HFSS電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真，經(jīng)優(yōu)化后，當(dāng)上層貼片邊長(zhǎng)L1=26.18 mm，對(duì)角切角邊長(zhǎng)a=6.25 mm，介質(zhì)厚度h1=1.5 mm。下層貼片邊長(zhǎng)L2=33 mm，U型槽左臂LW=10.25 mm，右臂RW=8.1 mm，開槽寬度w=1.5 mm，底端開槽長(zhǎng)度DW=3.9 mm，底端到中心距離D=3.9 mm，介質(zhì)厚度h2=2.1 mm時(shí)天線性能達(dá)到最優(yōu)，天線的S11分布如圖5所示。

圖5 天線的S11參數(shù)

如圖5所示，天線在L頻段內(nèi)的回波損耗，S11＜－10 dB帶寬為26 MHz;在S頻段內(nèi)的回波損耗S11＜－10 dB帶寬為63 MHz。

圖6是天線在L頻段的E面方向圖和H面方向圖，其中實(shí)線為左圓增益(LHCP)虛線為右圓增益(RHCP)。由圖可知，天線的左旋增益可達(dá)3 dB天線E面的3 dB波瓣寬度達(dá)到150°(－75°～75°)H面的增益達(dá)到3 dB且3 dB波瓣寬度也達(dá)到145°(－70°～75°)。LHCP電平＞RHCP電平15 dB以上，可見，該天線在L頻段具有較強(qiáng)的抑制交叉極化和抗多徑干擾能力。

圖6 天線在L頻段的增益

圖7為天線在S頻段的E面方向圖和H面方向圖，其中實(shí)線為右圓增益(RHCP)虛線為左圓增益(LHCP)。由圖可知，天線的右旋增益可達(dá)4 dB天線E面的3 dB 波瓣寬度達(dá)到130°(－65°～65°)，H 面的增益達(dá)到3 dB且3 dB波瓣寬度也達(dá)到160°(－75°～85°)。RHCP電平大于LHCP電平15 dB以上，可見，該天線在S頻段具有較強(qiáng)的抑制交叉極化和抗多徑干擾的能力。

圖7 天線在S頻段的增益

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的單饋電法能夠應(yīng)用于移動(dòng)手持設(shè)備的雙頻北斗終端天線，天線工作在L(1 615 MHz)和S(2 491 MHz)頻段。天線上層采用正方形切角引入串?dāng)_的方法在S頻段實(shí)現(xiàn)右圓極化，下層貼片采用不對(duì)稱臂U形槽結(jié)構(gòu)在L頻段實(shí)現(xiàn)左圓極化，在兩個(gè)頻段上均能實(shí)現(xiàn)北斗對(duì)天線性能指標(biāo)的要求，且體積小、厚度薄、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工，有利于北斗設(shè)備的使用和推廣。

［1］楊杰，盧春蘭，沈菊鴻.雙頻雙圓極化小型化微帶天線的設(shè)計(jì)［J］.軍事通信技術(shù)，2013，3(3):16 －19.

［2］黃玉蘭.電離層中電波線極化面旋轉(zhuǎn)的分析與計(jì)算［J］.西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，8(3):24 －26.

［3］薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17(4):331 －336.

［4］Ramesg Garg.Microstrip antenna design handbook［M］.USA:Artechhouse，2001

［5］曹祥玉.微波技術(shù)與天線［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［6］劉凱.新型多頻段微帶圓極化天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［D］.南京:南京郵電大學(xué)，2013.

［7］林昌祿.天線工程手冊(cè)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［8］韓旭.小型化多頻GNSS微帶天線及其陣列特性研究［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2011.