盧華剛 馬晨 范煉 于燕萍

(1.常州仁千電氣科技股份有限公司,江蘇常州 213000;2.云南財(cái)經(jīng)大學(xué),云南昆明 650221)

0 引言

隨著無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展,對(duì)天線收發(fā)定位要求越來(lái)越高,寬頻帶、高增益和多功能是目前天線的主要研究方向[1-3]。其中天通衛(wèi)星通信帶寬較寬,增益性能要求較高。主要功能是接收和發(fā)射對(duì)應(yīng)頻率的電磁波信號(hào),天通天線在生活中具有廣泛的應(yīng)用。全球定位系統(tǒng)(GPS)的快速發(fā)展,對(duì)天線的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)同樣具有較高的要求,產(chǎn)品具有高增益和高靈敏度的特點(diǎn),便攜且有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性,諸如抗震救災(zāi)、遠(yuǎn)海水域、野外作業(yè)、應(yīng)急通信等特殊場(chǎng)景下,是唯一有效的通信保障手段。為此,設(shè)計(jì)一款集收發(fā)、定位一體的天線,收發(fā)功能的采用天線偶極子的結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn),腔體結(jié)構(gòu)形式的天線作為定位功能。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和高增益圓極化性能的優(yōu)點(diǎn)。

收發(fā)天線的偶極子長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng),采用垂直彎折的形式構(gòu)成對(duì)稱振子,在高度受限的情況下,垂直部分為常規(guī)銅管結(jié)構(gòu),彎折部分為對(duì)稱扇形結(jié)構(gòu)[4-5],以此作為天線主體,增加天線的輻射。通過(guò)加載腔體式結(jié)構(gòu)作為GPS-L1輻射介質(zhì)。腔體結(jié)構(gòu)形式可以有效的降低天線主體副瓣,提高天線的不圓度,實(shí)現(xiàn)天線的高增益的圓極化性能,可以被廣泛的應(yīng)用在船載天線和車載天線等實(shí)際工程中。

1 天線的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。收發(fā)天線主體是以介電常數(shù)ε=4.4,厚度0.8mm的FR4材料為介質(zhì)基板,在其上印刷四個(gè)陣列扇形形狀,同時(shí)對(duì)稱扇形之間矩形條只與其一相連接,另一端開(kāi)路,并非互聯(lián)狀態(tài),為了避免中間矩形條交叉連接,其中一條采用過(guò)孔背向連接技術(shù),由于板厚較薄,其過(guò)孔距離可忽略不計(jì),如圖1所示。四根銅管間距為L(zhǎng),長(zhǎng)度為H1,銅管一端焊接在厚度1mm的FR4反射介質(zhì)板上,另一端焊接在扇形上,其中扇形與矩形條開(kāi)路端一側(cè)銅管的內(nèi)芯分別穿至特氟龍管和芯線,頂部芯線與矩形條相連,底部芯線外露,使其最后兩組芯線產(chǎn)生90°相位差,來(lái)滿足天通左旋極化特性。金屬腔體為GPS-L1定位天線主體,距離反射介質(zhì)板為H2,中間為空氣介質(zhì),使用4個(gè)尼龍柱作為支撐。饋電形式采用雙饋點(diǎn)饋電實(shí)現(xiàn)圓極化,正交放置的兩個(gè)同軸探針穿過(guò)金屬腔體,探針頂端直接焊接在金屬腔體底端,探針底端焊接在反射介質(zhì)基板上,兩個(gè)探針產(chǎn)生幅度相等,相位相差90°,來(lái)滿足GPS-L1天線右旋極化特性。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna structure

最終優(yōu)化的天線尺寸如下:收發(fā)天線直徑Rc=22mm,天線扇形輻射面角度Deg1=45°,內(nèi)環(huán)直徑Rc=10mm,銅管距中心距離L2=4mm,銅管高度H1=40mm;定位天線金屬腔體直徑R2=105mm,金屬腔體高度H3=15mm,探針距中心距離L1=15mm,金屬腔體距離FR4反射介質(zhì)板H2=5mm;反射介質(zhì)板直徑R3=110mm。

2 天線仿真和結(jié)果

通過(guò)HFSS的仿真優(yōu)化,最終得出收發(fā)衛(wèi)星通信天線和定位天線的回波損耗曲線圖,如圖2所示。

圖2 回波損耗曲線Fig.2 Return loss curve

圖3給出了系統(tǒng)要求的上行和下行工作頻帶內(nèi)左旋(LHCP)極化的天線方向圖,GPS-L1頻點(diǎn)的天線方向圖。由圖中可以看出衛(wèi)星通信天線在上下行中心頻點(diǎn)增益達(dá)到6.5dBi,GPS-L1天線增益達(dá)到5.5dBi,具有高增益圓極化特性。

圖3 增益方向圖Fig.3 Gain pattern

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)對(duì)天線的要求,對(duì)偶極子天線結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行了研究。使得扇形結(jié)構(gòu)的天線主體作為對(duì)稱振子,具備500MHz的帶寬,在工作頻帶內(nèi)具有較好的左旋極化特性,應(yīng)用于衛(wèi)星通信。 GPS天線通過(guò)金屬腔的形式,采用雙探針饋電,具有較高的右旋極化增益特性,波束寬度較寬的性能,該決定了終端設(shè)備在各種環(huán)境下的接收靈敏度,大大提高了衛(wèi)星通信的效率和質(zhì)量。該結(jié)構(gòu)天線已在實(shí)際工程中得到充分驗(yàn)證。