楊曉杰，袁家德

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002)

一種衛(wèi)星導航終端多頻圓極化微帶天線的設計

楊曉杰，袁家德

(福州大學 物理與信息工程學院，福建 福州 350002)

設計了一種覆蓋北斗一代發(fā)射L頻段、接收S頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段多頻圓極化微帶天線。天線采用疊層結構來實現(xiàn)多頻段的覆蓋，各頻段采用單點饋電的方式，利用輻射貼片切角實現(xiàn)天線的圓極化特性。天線進行了仿真設計、實物制作、指標測試和功能測試，結果表明，該天線工作帶寬、圓極化特性和增益均滿足衛(wèi)星導航終端天線的指標要求，能夠應用于北斗/GPS衛(wèi)星導航終端。

北斗；GPS；導航終端；微帶天線；圓極化

0 引言

全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)為全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，在經(jīng)濟、交通運輸和軍事領域有著不可替代的重要作用[1]。當前，美國的GPS定位系統(tǒng)已被廣泛應用，而中國的北斗導航系統(tǒng)在近幾年也越來越多地服務于社會，應用普及率正慢慢提高。為了提高定位精度和解決單一系統(tǒng)網(wǎng)絡覆蓋空白問題，未來的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)必然采用多種衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)相兼容的模式[2-3]。

天線是衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，天線性能的好壞決定著衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)能否正常發(fā)揮其作用和功能[4]。微帶天線具有體積小、重量輕、容易成型和饋電方式多樣化等優(yōu)點，被廣泛應用于衛(wèi)星導航終端中。但是，微帶天線也存在帶寬較窄的缺點，為了使天線能夠覆蓋多個不同的工作頻段，采用多層貼片疊層結構來實現(xiàn)多頻段的覆蓋。疊層結構并不是各層微帶天線簡單的疊加，各層微帶貼片之間會產(chǎn)生電磁干擾作用，從而使天線諧振頻率和軸比等參數(shù)發(fā)生變化[5-6]。

北斗一代導航定位系統(tǒng)具有有源定位和短報文通信的功能，在導航終端中L頻段作為天線的發(fā)射頻段，其天線輻射左旋圓極化波；S頻段作為天線的接收頻段，其天線輻射右旋圓極化波。北斗二代導航定位系統(tǒng)和GPS導航定位系統(tǒng)都屬于無源定位，北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段都是接收頻段，其天線輻射右旋圓極化波[7-9]。

本文設計了一種覆蓋北斗一代收發(fā)頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段的圓極化微帶天線，通過有限元電磁仿真軟件進行天線的設計仿真和參數(shù)優(yōu)化，并進行了實物制作，測試結果表明，該天線能夠很好地應用于導航終端。

1 天線設計

本文采用厚度為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4覆銅介質板來設計每一層的天線。天線結構如圖1所示。底層為北斗二代B1頻段(中心頻點為1.561 GHz)和GPS的L1頻段(中心頻點為1.575 GHz)的天線單元，介質邊長為60 mm，貼片邊長為44.9 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為4.8 mm，饋電點距離中心為12.5 mm；中間層為北斗一代L頻段(中心頻點為1.615 68 GHz)天線單元，介質邊長為42 mm，貼片邊長為39.7 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為3.5 mm，饋電點距離中心11.8 mm，中間有4條寬度為1 mm的縫隙；頂層為北斗一代S頻段(中心頻點為2.491 75 GHz)的天線單元，介質邊長為28 mm，貼片邊長為25.8 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為3 mm，中間圓形開槽半徑為5.3 mm，通過長度為5.5 mm的微帶線將饋電點移至中心，來增加L頻段和S頻段天線的隔離度。

圖1 天線結構示意圖

天線實物如圖2所示，3層天線單元分別通過蝕刻FR4雙面覆銅板來獲得貼片形狀，各層天線的饋電點分別連接50 Ω的MCX接頭，各層通過焊錫進行焊接。

圖2 天線實物圖

2 仿真與測試結果

2.1 回波損耗

回波損耗是指在天線的接頭處的反射功率與入射功率的比值，反映了天線的阻抗匹配特性。圖3為天線回波損耗仿真與測試結果對比圖，其中實線為仿真曲線，虛線為測試曲線。從圖3(a)可以看出，測試S11曲線與仿真結果基本吻合，S11小于-10 dB的帶寬為45 MHz(1.554 5 GHz～1.599 5 GHz)，覆蓋B1頻段的工作帶寬1.561 GHz±2 MHz和L1頻段的工作帶寬1.575 GHz±2 MHz。從圖3(b)可以看出，測試S11曲線有一個凸點，但帶寬也基本與仿真的一致，S11小于-10 dB的帶寬為72 MHz(1.568 5 GHz～1.640 5 GHz)，覆蓋L頻段的工作帶寬1.615 68 GHz±4 MHz。從圖3(c)可以看出，測試S11曲線比仿真帶寬略小，S11小于-10 dB的帶寬為54 MHz(2.464 GHz～2.518 GHz)，覆蓋S頻段的工作帶寬2.491 75 GHz±4 MHz。

圖3 天線回波損耗仿真與測試曲線

圖4 天線軸比仿真曲線

2.2 軸比

北斗和GPS天線都為圓極化天線，圓極化性能可以通過軸比來衡量，一般認為軸比小于3 dB的天線實現(xiàn)了較好的圓極化。圖4為天線軸比的仿真曲線圖，從圖中可以看出B1頻段的中心頻點1.561 GHz處的軸比為2.61 dB，L1頻段的中心頻點1.575 GHz處的軸比為4.58 GHz，L頻段的中心頻點1.615 68 GHz處的軸比為1.39 dB，S頻段的中心頻點2.491 75 GHz處的軸比為2.14 dB。由于單點饋電方式的微帶天線的軸比帶寬相對較小，B1/L1頻段無法同時兼顧軸比小于3 dB，因此設計的L1中心頻點的軸比盡量接近3 dB。而B1頻段、L頻段、S頻段的軸比都滿足北斗天線的設計要求。

圖5 天線增益仿真方向圖

2.3 增益

天線的增益反映了天線的定向收益程度，天線的增益越高則天線的收發(fā)成功率也就越高。圖5為天線在φ=0°，θ=0°～360°平面上增益方向圖，實線為左旋極化增益，虛線為右旋極化增益。從圖5(a)可以看出，B1頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益為1.78 dB，遠大于左旋極化增益，B1頻段天線輻射右旋圓極化波；從圖5(b)可以看出，L1頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益為1.09 dB，遠大于左旋極化增益，L1頻段天線輻射右旋圓極化波；從圖5(c)可以看出，L頻段中心頻點θ=0°方向上的左旋極化增益為1.98 dB，遠大于右旋極化增益，L頻段天線輻射左旋圓極化波；從圖5(d)可以看出，S頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益2.81 dB，遠大于左旋極化增益，S頻段天線輻射右旋圓極化波?？梢?，本文設計的天線圓極化增益符合導航天線設計要求。

2.4 功能測試

為驗證本文設計天線的可行性，對天線進行實際功能測試。天線連接北斗/GPS射頻模塊進行北斗一代定位測試和通信測試，北斗二代GPS定位測試。圖6為測試設備圖，圖7為測試結果圖。北斗一代定位測試成功，通信測試成功，表明天線能夠用于北斗一代定位和通信；北斗二代和GPS搜星數(shù)分別為4顆和7顆，定位效果良好，表明天線能夠用于北斗二代和GPS定位。

圖6 天線功能實測圖

圖7 天線測試結果圖

3 結論

本文提出了一種應用于北斗/GPS導航系統(tǒng)的多頻圓極化微帶天線，該天線采用疊層結構設計，實現(xiàn)北斗一代收發(fā)頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段的覆蓋，天線的仿真結果和功能測試結果表明，天線的性能良好，且天線使用較為普遍的FR4介質板易于加工，具有很好的應用前景。

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The design of multiband circularly polarized microstrip antenna for satellite navigation terminal

Yang Xiaojie, Yuan Jiade

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350001, China)

A multiband circularly polarized microstrip antenna for navigation terminal is proposed in the letter, which works for L band, S band and B1 band of Beidou Navigation Satellite System (BDS) and L1 band of Global Positioning System (GPS). The antenna is designed as a stack structure to achieve multiband performance. The feed mode of each band uses single point feed. The circular polarization characteristic of antenna is realized by using cutting angle radiation patch. The antenna is designed and simulated first. Then according to the designed simulation model, the antenna is manufactured. The simulated and measured results show that the bandwidth, circularly polarized performance and gains of the antenna are satisfied with the navigation terminals. So the antenna could be used in BDS and GPS navigation terminals.

BDS; GPS; navigation terminals; microstrip antenna; circularly polarized

TN821.1-34

A

1674-7720(2016)04-0061-04

楊曉杰，袁家德．一種衛(wèi)星導航終端多頻圓極化微帶天線的設計[J] .微型機與應用，2016，35(4)：61-64.

2015-09-25)

楊曉杰(1990-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星導航終端天線設計。E-mail：yangxj900522@sina.com。

袁家德(1974-)，男，博士，副教授，主要研究方向：天線技術、微波與射頻電路、計算電磁學。