褚濤，王安玖，王學(xué)杰，秦潔，李邵華，吳著剛

(1.貴州振華紅云電子有限公司，貴州 貴陽 550018; 2.貴州振華電子信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究有限公司，貴州 貴陽 550018)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)，被廣泛應(yīng)用于航空、陸地車載、空間引導(dǎo)和海事等各個領(lǐng)域[1]。目前世界有四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)（BDS）[2],而BDS具有獨有的短報文通信功能，使其在國際搜救，精密單點定位方面有獨一無二的優(yōu)勢[3]。目前，北斗三號衛(wèi)星已經(jīng)完成建設(shè)，將提供全球范圍內(nèi)的服務(wù)。

目前，國內(nèi)關(guān)于北斗天線的寬軸比波束寬度和低剖面方面都進行了很多研究，如BIAN等利用L形探針進行饋電，在寬角度范圍內(nèi)展寬了3dB軸比帶寬[4]；Park等研究了在展寬半功率波束寬度的前提下，降低天線的尺寸[5]；Zhang等設(shè)計了單饋點高增益寬軸比波束寬度的微帶貼片天線，但帶寬需要提高[6]；謝等設(shè)計了小型寬軸比波束寬度的微帶天線，但增益需要進一步提高[7]；張等設(shè)計了一種新型寬帶高增益多模導(dǎo)航天線，在其主輻射方向上有較高的增益[8]；Parameswaran等用超材料設(shè)計制作了寬帶寬的微帶貼片天線，其帶寬有1.9%提高到了31.78%[9]；衛(wèi)等[10]設(shè)計了雙層圓形微帶貼片天線，其阻抗帶寬和3dB波束帶寬均有很大提高，朱等[11]設(shè)計了一款抗干擾陣列天線，得到了很好的應(yīng)用。

但是，現(xiàn)有資料對微帶貼片天線在不同仰角下增益改善研究較少，因此，本文通過對比了方形貼片和多枝節(jié)輻射貼片之間的性能參數(shù)，設(shè)計了一款工作在北斗B3頻率的微帶貼片陶瓷天線，其在低仰角下有高功率增益，以滿足特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 圓極化貼片陶瓷天線設(shè)計

北斗陶瓷天線工作原理是利用北斗衛(wèi)星來實現(xiàn)導(dǎo)航定位的，通過用戶的接收機來提取衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進一步解算得到接收機載體的位置、速度和時間(PVT)等導(dǎo)航信息，現(xiàn)在主要使用的是微帶線饋電陶瓷天線和同軸線饋電陶瓷天線。

本文設(shè)計了1款同軸線饋電陶瓷天線，按照傳輸線模型進行分析，采用單饋法進行饋電，在方形輻射貼片的對角引入切角形成90°相位差，從而實現(xiàn)現(xiàn)圓極化。設(shè)計采用介電常數(shù)εr=19.7的微波介質(zhì)陶瓷進行微帶天線的制作，對于工作在北斗B3中心頻率f0=1268MHz的矩形微帶天線，其輻射貼片寬度w用如下公式進行計算：

式中，c是光速。

輻射貼片的長度為L為：

式中，ΔL是由于邊緣縮短效應(yīng)的影響而等效的輻射縫隙長度，εe是有效介電常數(shù)，分別由如下公式計算：

綜合天線的參數(shù)指標及實際應(yīng)用要求，以上述計算得出微帶天線的部分參數(shù)及變量，確定微帶天線的設(shè)計尺寸為35mm×35mm×5.5mm，為了便于安裝，將其中一角設(shè)為圓角。為了對比普通方形切角輻射貼片與多枝節(jié)輻射貼片對天線不同仰角下增益的影響，特設(shè)計兩個模型，如圖1所示，并做了仿真對比。多枝節(jié)輻射貼片主要是通過增加了寄生單元，于寄生單元引入新的諧振頻率，當寄生單元的諧振頻率和激勵單元的諧振頻率接近時，可以在天線的軸比曲線中觀察到多個諧振點，繼而天線的圓極化帶寬得到了展寬[11-12]，并改善天線的方向圖，使其在低仰角下獲得較高的增益。

圖 1 天線模型及幾何參數(shù)

該天線采用同軸線饋電，饋電點位于貼片的中心偏下3.5mm處，(a)模型設(shè)計為多枝節(jié)輻射貼片，并進行切角實現(xiàn)圓極化，(b)模型設(shè)計為方形切角輻射貼片，并且采用銀電極將其印刷在相對介電常數(shù)為19.7、損耗角正切值為0.0005、尺寸大小為35mm×35mm×5.5mm的陶瓷基板上。

通過電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真設(shè)計，優(yōu)化后的天線參數(shù)如表1所示。

表1 天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

2 仿真結(jié)果分析

2.1 S11曲線分析

天線阻抗特性曲線的仿真結(jié)果如圖2所示：

從圖2可以看出，兩種設(shè)計天線的中心頻率均為1268MHz，滿足北斗B3天線的使用要求，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計天線的回波損耗S11≤-10dB的帶寬大于方形切角貼片設(shè)計，分別為(a):1254-1286MHz，(b):1254-1282MHz，其絕對帶寬分別為32MHz和28MHz，可見，在保證中心頻率不變的情況下，通過多枝節(jié)輻射貼片，增加了寄生單元，引入新的諧振頻率，使之產(chǎn)生耦合，拓寬了天線的帶寬。

圖 2 兩種設(shè)計天線的S11曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

2.2 天線駐波比曲線分析

天線駐波比特性曲線的仿真結(jié)果如圖3所示：

圖3 兩種設(shè)計天線的駐波比曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖3可以看出，兩種設(shè)計天線的駐波比均較低，在1268MHz的時候分別為1.18和1.05，多枝節(jié)輻射貼片天線的駐波比較高，但從圖也可以看出，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計天線駐波比底部較為平穩(wěn)，在駐波比小于1.5的范圍內(nèi)，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計頻率范圍為1259-1282MHz，而方形切角貼片設(shè)計頻率范圍為1258-1278MHz。

2.3 天線軸比曲線分析

天線軸比特性曲線的仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 兩種設(shè)計天線的軸比曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖4可以看出，兩種設(shè)計天線的軸比均較低，在0°方向上，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計的天線軸比為1.07dB，在E平面上θ為-100°-100°時小于3dB；而方形切角貼片天線的軸比為1.06dB，在E平面上θ為-100°-100°時小于3dB，兩種設(shè)計軸比的重合性較高。

2.4 天線增益曲線分析

天線增益特性曲線的仿真結(jié)果如圖5和表2所示：

表2 兩種天線在不同仰角下的增益

圖5兩種設(shè)計天線的增益曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖5可以看出，天線的增益及圓極化性能良好，在1268MHz的頻率下，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計天線的增益最大值為4.71dBic，略高于方形切角貼片設(shè)計天線的增益4.57dBic，而且多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計天線的尾瓣較小，這也是其0°增益大于方形切角貼片設(shè)計天線的原因。從表3可以看出，在E平面上不同的θ角下，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計的增益同樣略高，尤其是在低仰角下（70°和-70°），多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計天線比方形切角貼片設(shè)計天線有很大的優(yōu)勢，其總體增益高了0.2dBic左右。同時本設(shè)計天線增益為-0.67dBic@θ=-70°，大于朱艷玲等[13]的設(shè)計-1.4dBic@θ=60°，在低仰角下有較大的增益，滿足使用要求。

表3 與其他北斗B3微帶天線設(shè)計參數(shù)對比

從表3可知，本文研究的微帶天線在北斗B3頻段的最高增益及低仰角下增益都有很大的優(yōu)勢，文獻[18]所示的天線增益較高是因為天線的尺寸更大（R=48mm，H=30mm），并且加了金屬銅套，增加了其頂點增益。

3 天線實物制作及與仿真結(jié)果對比

根據(jù)以上仿真結(jié)果分析可知，多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計陶瓷天線有較好的性能，因此，按此制作了天線的實物，照片如圖6所示。

圖6 天線實物圖

此天線測的中心頻率為1268MHz，其他參數(shù)測試與仿真結(jié)果對比如表4所示。

表4 多枝節(jié)輻射貼片天線仿真與實測參數(shù)對比

從表4可以看出，天線在低仰角下的增益和仿真結(jié)果對比有一定的差距，這主要有2個原因：1、可能是天線在加工過程中的誤差導(dǎo)致；2、可能是陶瓷材料在燒結(jié)過程中的不致密性造成的，本設(shè)計時所用的微波介質(zhì)陶瓷的損耗為0.0005，實際在陶瓷成型及燒結(jié)過程中陶瓷的損耗增大，達到0.001左右，使最終天線的性能變差，后續(xù)需要在原材料方面進行進一步研發(fā)。

4 結(jié)論

針對我國BDS系統(tǒng)B3天線的頻段需求，設(shè)計了尺寸為35mm×35mm×5.5mm的北斗陶瓷天線，，研究了不同貼片結(jié)構(gòu)對北斗天線參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)多枝節(jié)輻射貼片設(shè)計的天線帶寬和增益要略高于方形貼片，其他參數(shù)相差不大。最終設(shè)計出中心頻率在1268MHz，帶寬32MHz，駐波比1.18，軸比1.07dB，增益4.71dBic@θ=0°、2.72dBic@θ=40°和-0.87dBic@θ=70°的北斗陶瓷天線，并參照仿真設(shè)計制作了天線實物，對比了其性能。但本設(shè)計由于所用微波介質(zhì)陶瓷材料的參數(shù)局限性，限制了陶瓷天線的尺寸及參數(shù)性能，以后還有改進的空間，而且微帶陶瓷天線發(fā)展方向是高性能小型化，隨著陶瓷材料技術(shù)水平的進步，必然會產(chǎn)生更多優(yōu)秀的天線設(shè)計。

此天線在低仰角下有較大的增益，能滿足多種地形條件下北斗接收設(shè)備的需求，而隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 的快速發(fā)展以及對天線的小型化多頻段的要求，本文設(shè)計的北斗衛(wèi)星天線具有廣闊的應(yīng)用前景。