孫玉發(fā)，吳志鋒

(安徽大學(xué) 計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230039)

broadband

隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展， 全球定位系統(tǒng)(global positioning system,簡(jiǎn)稱GPS)天線得到廣泛關(guān)注.近年來(lái)寬頻帶和小型化天線普遍應(yīng)用于GPS導(dǎo)航，小型化、寬帶化和圓極化等已成為GPS導(dǎo)航的研究方向.與非圓極化天線相比，圓極化天線的優(yōu)點(diǎn)有：(1)能夠接收任意極化天線產(chǎn)生的輻射波；(2)在電子對(duì)抗、微波通信等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用；(3)入射到對(duì)稱目標(biāo)時(shí)，波的旋向會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)(即左旋變?yōu)橛倚?、右旋變?yōu)樽笮?，因此能夠抑制雨霧干擾和抵抗多路徑反射.

天線小型化的方法有：加載短路探針、增加有效電流路徑、附加有源網(wǎng)絡(luò)、使用超材料電抗性阻抗表面(reactive impedance surface,簡(jiǎn)稱RIS)結(jié)構(gòu)等.采用在輻射貼片表面開(kāi)槽[1-4]的方法，可延長(zhǎng)貼片表面的有效電流路徑，縮小天線尺寸，但阻抗帶寬較窄.將超材料RIS結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)相結(jié)合[5-9]，可實(shí)現(xiàn)天線小型化，但天線的阻抗帶寬增加不明顯.文獻(xiàn)[10]通過(guò)在矩形環(huán)中加載諧振環(huán)來(lái)展寬天線的圓極化帶寬，同時(shí)采用寬帶巴倫饋電方式增加阻抗帶寬.文獻(xiàn)[11]，[12]分別使用微帶、共面波導(dǎo)的饋電方式給縫隙天線饋電，實(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化，雖然帶寬很寬，但天線尺寸較大.

以上設(shè)計(jì)方法雖然一定程度上實(shí)現(xiàn)了天線的小型化和帶寬的展寬，但并沒(méi)有將小型化和帶寬展寬有效且合理地結(jié)合在一起.筆者針對(duì)此不足之處，提出一種新型的GPS天線設(shè)計(jì)方案.

1 天線結(jié)構(gòu)

在原始天線[2]基礎(chǔ)上，在貼片和地板間增加一個(gè) I型超材料單元與開(kāi)口諧振環(huán)(split ring resonators,簡(jiǎn)稱SRR)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，地板上嵌入一個(gè)矩形環(huán)縫隙，得到的天線如圖1所示.由圖1A可知，上層貼片為一個(gè)邊長(zhǎng)為c的正方形輻射貼片，其表面再加載一個(gè)非對(duì)稱U型槽，可激勵(lì)出2個(gè)幅度相等、極化正交、相差90°的線極化波[13]，能實(shí)現(xiàn)圓極化波輻射.由圖1B可知，中間貼片由一個(gè)6×6的RIS單元陣列與4個(gè)SRR組成，可實(shí)現(xiàn)天線的小型化和帶寬的展寬.由圖1C可知，下層貼片為嵌入一個(gè)環(huán)形縫隙的正方形地板，可提高天線的阻抗匹配能力.天線的整體俯視圖如圖1D所示.從圖1E可看出，輻射貼片置于厚度為h0、相對(duì)介電常數(shù)為4.4的FR4材料頂部，下層貼片置于厚度為h、相對(duì)介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基板底部，增加的結(jié)構(gòu)位于兩介質(zhì)板之間.

圖1 天線結(jié)構(gòu)

天線的參數(shù)如表1所示.

表1 天線參數(shù)

1.1 RIS結(jié)構(gòu)

如圖1B所示，超材料RIS結(jié)構(gòu)由一個(gè)6×6的RIS單元陣列組成，其中RIS單元結(jié)構(gòu)如圖2A所示，其由垂直正交的2個(gè)I型超材料貼片、相對(duì)介電常數(shù)為4.4的介質(zhì)基板及地板組成.兩個(gè)相鄰I型結(jié)構(gòu)及其等效電路分別如圖2B，C所示.

圖2 RIS結(jié)構(gòu)

由文獻(xiàn)[14]可知, RIS結(jié)構(gòu)決定天線的諧振頻率.諧振頻率的表達(dá)式為

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

其中：Z0為特性阻抗，k為波數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，εr為介質(zhì)板的介電常數(shù)，η0為真空本征阻抗，l為I型超材料貼片中間部分長(zhǎng)度，l1為I型超材料貼片左邊部分垂直長(zhǎng)度，g1為相鄰2個(gè)I型導(dǎo)體貼片間縫隙寬度.由式(1)～(4)可知，通過(guò)優(yōu)化RIS結(jié)構(gòu)中的l，l1，g1等參數(shù)，改變天線的諧振頻率，實(shí)現(xiàn)天線的小型化.

1.2 SRR

SRR是實(shí)現(xiàn)左手材料最常用結(jié)構(gòu)之一.經(jīng)典SRR結(jié)構(gòu)示意圖如圖3A所示，其中d，e分別表示圓形開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口寬度和內(nèi)外環(huán)半徑差.SRR等效電路如圖3B所示，其中L，C分別表示其等效電感和等效電容.

圖3 SRR結(jié)構(gòu)

SRR的諧振頻率為

(5)

其中

(6)

(7)

其中：L為SRR的自感；r為外環(huán)半徑；C為兩環(huán)間等效電容；Cval為兩環(huán)間縫隙單位長(zhǎng)度電容.由式(5)～(7)可知，SRR的諧振頻率可通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變來(lái)調(diào)整.通過(guò)改變SRR結(jié)構(gòu)尺寸，使其與RIS結(jié)構(gòu)同在天線中心頻率處諧振.由于SRR與RIS結(jié)構(gòu)之間存在縫隙，兩者的諧振頻率有差值，此時(shí)通過(guò)改變諧振頻率的差值來(lái)展寬天線的阻抗帶寬.

2 仿真及測(cè)試結(jié)果

天線實(shí)物如圖4所示，其中圖4A，B分別為上層介質(zhì)的正、背面，圖4C，D分別為下層介質(zhì)的正、背面.

圖4 天線實(shí)物圖

天線S11的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示.從圖5中可以看出，天線的仿真阻抗帶寬為118 MHz，實(shí)測(cè)阻抗帶寬為116.2 MHz.由于加工誤差和介質(zhì)不均勻，實(shí)測(cè)的中心頻率略偏低，且實(shí)測(cè)帶寬比仿真帶寬窄.

天線軸比的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，3 dB軸比的仿真帶寬為26 MHz、實(shí)測(cè)帶寬為 24 MHz，實(shí)測(cè)和仿真的帶寬基本一致.

圖5 S11的仿真與測(cè)試結(jié)果 圖6 軸比的仿真與測(cè)試結(jié)果

圖7為1.575 GHz時(shí)輻射貼片表面電流隨相位變化的情況.從圖7可以看出，在上層貼片開(kāi)出一對(duì)非對(duì)稱U型槽后，改變了表面電流分布，此時(shí)電流指向呈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，符合右手螺旋定則，即天線輻射波為右旋圓極化波.

圖7 1.575 GHz時(shí)輻射貼片表面電流隨相位變化的情況

圖8為天線增益的仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果.由圖8可知，天線在中心頻率1.575 GHz處實(shí)測(cè)增益為2.35 dBi，由于制作誤差和材料的損耗，實(shí)測(cè)增益低于仿真增益.

圖9為S11隨c變化的情況.由圖9可知，天線的諧振頻率隨c增加向低頻偏移，c為34 mm時(shí)阻抗帶寬最寬，且阻抗匹配效果最好，綜合考慮，c取34 mm較合適.

圖8 增益仿真與測(cè)試結(jié)果 圖9 S11隨c變化的情況

圖10為中心頻率為1.575 GHz時(shí)天線的輻射方向圖.由圖10可知，主極化為右旋圓極化，天線的半功率波瓣寬度大于100°，最大輻射方向的交叉極化電平大于15 dB，滿足GPS天線設(shè)計(jì)要求.

圖10 中心頻率為1.575 GHz時(shí)天線的輻射方向圖

該文天線與文獻(xiàn)[15]中的小型化天線性能比較如表2所示.由表2可知，該文天線在尺寸大小、阻抗帶寬及軸比帶寬等方面有更大優(yōu)勢(shì).

表2 該文天線與文獻(xiàn)[15]小型化天線性能比較

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一款新型帶寬展寬的小型化GPS天線，將超材料單元與SRR相結(jié)合，并在地板嵌入一個(gè)缺陷結(jié)構(gòu).與原始天線相比，不僅減小了天線整體尺寸，還有效展寬了天線帶寬，保持了良好的增益.天線性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊、加工簡(jiǎn)單，在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景.