周濤，張豪，邊成，李灝一

(四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621050)

0 引言

北斗系統(tǒng)作為由我國(guó)自主研發(fā)的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在政治、軍事、科技、文化等方面都具有重要意義[1-2]。天線作為射頻前端，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的耳目，它的性能好壞將直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)劣。在衛(wèi)導(dǎo)天線的設(shè)計(jì)中，微帶天線因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小等優(yōu)勢(shì)，成為終端導(dǎo)航設(shè)備天線的研究熱點(diǎn)[3]。在北斗天線的工程應(yīng)用中，多頻段小型化是天線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[4-5]，多頻圓極化微帶天線的實(shí)現(xiàn)方法通常有：采用堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻圓極化、多元法實(shí)現(xiàn)多頻圓極化、采用縫隙加載實(shí)現(xiàn)多頻圓極化、通過(guò)加載臂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻圓極化等[6-8]。

本文采用堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻圓極化，實(shí)現(xiàn)B3、B1、L、S 頻段的圓極化輻射，其中B3、B1、S 為右旋圓極化，L 為左旋圓極化。對(duì)于多頻段的圓極化天線，相關(guān)領(lǐng)域的研究多為天線的輻射體設(shè)計(jì)[9-12]，很少有研究小型化情況下的多端口饋線設(shè)計(jì)實(shí)際問(wèn)題[12-13]。在實(shí)際使用中多頻段存在同時(shí)工作的情況，因而多端口輸出是工程研制中必須處理的問(wèn)題。本文研制的多頻雙圓極化天線在60 mm×60 mm×21.6 mm 的尺寸下實(shí)現(xiàn)多端口獨(dú)立輸出，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足北斗系統(tǒng)對(duì)天線性能的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)天線結(jié)構(gòu)分為6層，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)工作頻段都有獨(dú)立端口輸出的天線設(shè)計(jì)，外形如圖1 所示。L1為最底層，采用帶狀線為B3 頻點(diǎn)設(shè)計(jì)印刷饋電網(wǎng)絡(luò)，厚度為2 mm，介電常數(shù)為3.2；L2為B3 頻點(diǎn)的輻射體層，厚度為4.7 mm，介電常數(shù)為6.15；L3為低介電常數(shù)填充層，厚度為5 mm；L4為印刷的定向耦合器饋電網(wǎng)絡(luò)，厚度為0.8 mm，介電常數(shù)為3.2；L5為L(zhǎng) 和B1 的共用輻射層，厚度為4.1 mm，介電常數(shù)為6.15；L6為S 頻點(diǎn)的輻射體，厚度為5 mm，介電常數(shù)為16。整個(gè)天線單元尺寸為60 mm×60 mm×21.6 mm。

1.1 B3 天線設(shè)計(jì)

最下層天線輻射體外形如圖2(a)所示，輻射B3 頻點(diǎn)，其中W1=60 mm，W2=46 mm。雙饋法的圓極化天線設(shè)計(jì)主要在于饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，本文采用Wilkinson 功分器級(jí)聯(lián)90°移相器[14]，結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，雙饋形成右旋圓極化輻射。

1.2 B1 及L 頻段天線設(shè)計(jì)

中間輻射體外形如圖3(a)所示，主要輻射B1 和L頻段。為了保證增益以及考慮到極化方向的不同，中間層饋電網(wǎng)絡(luò)采用3 dB 定向耦合器，結(jié)構(gòu)外形如圖3(b)所示，從兩端口分別饋電，同時(shí)使用雙層輻射體擴(kuò)展帶寬，可以分別實(shí)現(xiàn)B1 和L 頻段的右旋和左旋圓極化[15-16]。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到如果將饋電網(wǎng)絡(luò)同樣置于L1，此時(shí)饋電探針長(zhǎng)度大于15 mm，將會(huì)引入電感，對(duì)駐波匹配產(chǎn)生影響，常用的處理方式為在饋電點(diǎn)增加一個(gè)容性環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償。但是這樣引入一個(gè)新的問(wèn)題，從L1底部通過(guò)K2饋電時(shí)，饋電探針會(huì)穿過(guò)底層輻射體L5和L4，若給底層輻射體開(kāi)口直接饋電，增益由于耦合，會(huì)損失嚴(yán)重。解決方法是將饋電網(wǎng)絡(luò)置于L4，由于L3為低介電填充材料，對(duì)微帶電路影響很小，同時(shí)從天線輻射體中部開(kāi)口于K1處饋電，圖3 中W3=45 mm，W4=32 mm。

1.3 S 頻段天線設(shè)計(jì)

S 頻段帶寬很窄，而且處于頂層，受其他頻段輻射貼片影響很小，因此采用單饋切角形式，如圖4 所示，在輻射貼片表面產(chǎn)生TM01模式和TM10模式，從而產(chǎn)生產(chǎn)生兩個(gè)相互正交的電場(chǎng)分量，形成圓極化[17]。將L5層輻射體作為地，通過(guò)50 Ω 同軸線對(duì)L6進(jìn)行饋電，其中W5=35 mm，W6=10.8 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

采用HFSS 電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，本天線設(shè)計(jì)有4 個(gè)諧振頻率，且均有獨(dú)立輸出端口。通過(guò)仿真可以看出，駐波帶寬均滿(mǎn)足各頻段要求，仿真結(jié)果如圖5 所示；增益方向圖仿真結(jié)果如圖6 所示，B3 頻點(diǎn)(1 268 MHz)法線增益大于6.4 dBi，B1(1 561 MHz)和L(1 575 MHz)頻點(diǎn)法線增益約3 dBi，S 頻段(2 491 MHz)增益大于4 dBi。本天線在實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)，仿真結(jié)果仍然具有良好的性能，滿(mǎn)足北斗衛(wèi)星對(duì)天線的性能指標(biāo)要求。

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

使用SATIMO 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，天線測(cè)試場(chǎng)景如圖7 所示。增益測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，可以看出B3 頻點(diǎn)法相增益大于6 dBi，仰角60°大于0 dBi；B1 頻點(diǎn)法向增益大于2.5 dBi，仰角30°大于0 dBi；L 頻點(diǎn)法向增益大于3 dBi，仰角60°大于0 dB；S 頻點(diǎn)法向增益大于3 dBi，仰角30°大于0 dBi。軸比仿真結(jié)果如圖9 所示，所有頻點(diǎn)法向軸比小于2 dB，軸比小于6 dB 的波束寬度超過(guò)140°，天線性能良好，基本符合仿真結(jié)果。

3 結(jié)論

針對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)天線的小型化、多頻段和圓極化的需求，本文設(shè)計(jì)了一款能覆蓋北斗衛(wèi)星的B1波段、B3 波段、L 波段、S 波段的多頻段雙圓極化北斗天線，在極大縮減尺寸的同時(shí)，仍能保證天線性能。通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)頻段端口的獨(dú)立輸出，相對(duì)于單端口多諧振點(diǎn)的多頻段天線在實(shí)際工程運(yùn)用

中更具實(shí)用性。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線在實(shí)現(xiàn)天線小型化的同時(shí)，增益較高，能滿(mǎn)足北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的使用要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。