衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)中的多層圓極化微帶天線設(shè)計

王喜龍，魏昆

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧葫蘆島125000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)中的多層圓極化微帶天線設(shè)計

王喜龍1，魏昆2

（1.海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧葫蘆島125000；2.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院，陜西西安710129）

衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)有時需要在較小的區(qū)域中放置多個不同頻率的圓極化接收天線。通過研究并設(shè)計出一種GPS的L1和L2雙頻點雙層疊放圓極化天線，可以在很大程度上節(jié)約空間。該天線上下層是兩個獨立的單饋點天線，可以分別在L1和L2頻段獨立工作，分別為右旋圓極化和左旋圓極化，可作接收天線和發(fā)射天線。天線由厚度為4 mm的復(fù)合材料加工而成，調(diào)試和組裝均比較方便。經(jīng)過仿真分析優(yōu)化，設(shè)計的天線增益較高，極化特性優(yōu)良，帶寬滿足要求，完全適合于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)的應(yīng)用。

圓極化；微帶天線；雙層疊放；單饋點

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對天線性能的要求也越來越高，以往單純的線極化天線己很難滿足人們的需求。圓極化微帶天線[1?6]由于結(jié)合了微帶天線諸如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、剖面低、容易制造、易于集成并可附著于任意表面等優(yōu)點和圓極化波能抑制雨霧的干擾、抗多徑反射、具有更好的移動性等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達、移動通信以及各種無線通信設(shè)備當(dāng)中。隨著這些系統(tǒng)的發(fā)展，越來越需要多頻點圓極化微帶天線。

多頻段天線最常見的形式包括多層天線[7]和縫隙天線[8]。一般多層天線通常是相同極化模式的雙頻點天線，而縫隙天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工。

本文設(shè)計一個雙頻點多層圓極化微帶天線，兩個頻點分別是：GPS的L1：1.575 42 GHz，L2：1.227 6 GHz。天線結(jié)構(gòu)共有兩層，上下兩層均采用單饋點切角結(jié)構(gòu)[9]，分別用同軸線饋電，共有兩個饋電口，L1頻點天線是左旋圓極化天線，L2頻點天線是右旋圓極化天線，可作為發(fā)射天線和接收天線使用。使用HFSS軟件給出天線的仿真結(jié)果，并對結(jié)果進行分析。

1 天線設(shè)計

本文設(shè)計一個雙層L1和L2右旋圓極化微帶天線，具有較低的軸比，較好的帶寬特性和較高的增益。

天線模型如圖1所示，在直徑100 mm的金屬底板上放置兩層單饋電右旋圓極化微帶天線，上層L1頻段天線，下層L2頻段天線，天線采用同軸線饋電方式，有兩個饋電點（相對位置差90°）分別對上、下兩層天線饋電，上層天線的饋電同軸線從下層天線通孔穿過。

圖2給出影響天線性能的3個變量，a是方形貼片的邊長，決定諧振頻點的位置，a越大，諧振頻點越小，反之亦然；饋電點位置尺寸b主要影響天線輸入阻抗。以上兩個參數(shù)對天線性能的影響已經(jīng)在經(jīng)典微帶天線理論中有所體現(xiàn)，本文不做詳細(xì)分析。切角尺寸c的長度決定極化簡并分離單元Δs，這對單饋電圓極化微帶天線的圓極化性能有著至關(guān)重要的影響。

圖1 雙層天線模型

圖2 天線貼片尺寸示意圖

2 天線仿真

本文主要分析上層L1頻段天線切角尺寸c變化對上層和下層天線的影響。L1頻段天線切角尺寸c取三組數(shù)值分別為c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真結(jié)果如圖3～圖8所示，每個圖形中都有三條曲線，分別是天線的某一個性能指標(biāo)在L1頻段天線切角尺寸c變化下所對應(yīng)的曲線。其中虛線為c=5 mm所對應(yīng)參數(shù)曲線，實線為c=5.5 mm所對應(yīng)參數(shù)曲線，點線為c=6 mm所對應(yīng)參數(shù)曲線。

圖3、圖5和圖7是L1頻段天線切角尺寸c變化對L2頻段天線性能影響的圖形，由圖得出上層L1頻段天線切角尺寸c的變化對下層L2頻段天線性能影響不大。

圖3 L2天線S11參數(shù)值

圖4、圖6和圖8是L1頻段天線切角尺寸c變化對自身性能影響的圖形。由圖得出切角尺寸c的變化不會使諧振頻點發(fā)生變化，但會影響諧振深度；切角尺寸c對天線增益沒太大影響；切角尺寸c主要影響天線軸比，即圓極化性能，這與理論分析完全一致，可以通過試探法找出一個系統(tǒng)最優(yōu)值。

通過仿真發(fā)現(xiàn)，L2頻段天線切角變化也有同樣的結(jié)論，本文沒有一一列舉。

通過綜合比較，得出一組較優(yōu)解，具體尺寸如下：

L2頻段天線尺寸：介質(zhì)板介電常數(shù)為3，尺寸為70 mm× 70 mm，厚度為4 mm；貼片尺寸為a=66.5 mm，b=18.4 mm，c=4.5 mm。

圖4 L1天線S11參數(shù)值

圖5 L2天線增益值

圖6 L1天線增益值

圖7 L2天線軸比值

圖8 L1天線軸比值

L1頻段天線尺寸：介質(zhì)板介電常數(shù)為3，尺寸為58 mm× 58 mm，厚度為4 mm；貼片尺寸為a=52.5 mm，b=14.9 mm，c=5.5 mm。

以下為天線仿真結(jié)果，圖9是天線S11參數(shù)值，圖中實線是L2頻段天線S11值，虛線是L1頻段天線S11值。L2頻段天線-10 dB帶寬共50 MHz，L1頻段天線-10 dB帶寬共30 MHz。

圖9 雙層天線S11參數(shù)值

圖10是天線極化參數(shù)曲線。從圖中可以看出，L2頻段天線是右旋圓極化，L1頻段天線是左旋圓極化。

圖10 雙層天線極化參數(shù)曲線

圖11是天線在方位角為0°時，天線的空間增益值隨俯仰角θ變化的圖形，L1頻段最大增益為8.2 dB，L2頻段最大增益為7.8 dB。L2頻段最大增益小于L1頻段最大增益，原因是下層天線有一部分能量被上層介質(zhì)板反射，沒有輻射到遠(yuǎn)場區(qū)。

圖11 雙層天線增益參數(shù)值

圖12是天線方位角φ=0°，軸比隨俯仰角θ變化的曲線，實線表示L2頻段天線，虛線表示L1頻段天線。從圖中可以看出在0°<θ<60°范圍內(nèi)軸比小于3 dB，圓極化性能較好。

圖12 天線軸比性能

3 結(jié)語

由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)逐漸微小化，往往要求設(shè)計出在狹小空間上可以分別接受不同頻段信號的天線。多層疊放天線是一種解決方案，而由于天線層之間干擾較多，因此設(shè)計多層圓極化微帶天線是一項困難的工作。本文設(shè)計了一款針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機系統(tǒng)的雙層疊放天線，可以獨立接收L1和L2頻段信號。該天線上下兩層均采用單饋點切角結(jié)構(gòu)，有良好的帶寬、增益和極化性能。

另外，針對天線的單饋點結(jié)構(gòu)，本文對天線各項尺寸參數(shù)尤其是切角尺寸進行了詳細(xì)分析。天線邊長的大小可以影響到天線諧振點的位置，饋電點的位置主要影響輸入阻抗值；天線切角的尺寸大小主要會影響到天線極化軸比的性能，而對其輸入阻抗影響很小。這些分析的結(jié)論可以給天線設(shè)計者一些有用的建議和參考。

[1]鮑爾I J，布哈蒂亞P.微帶天線[M].北京：電子工業(yè)出版社，1985.

[2]KRAUS J D，MARHEFKA R J.天線[M].章文勛，譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[3]鐘順時，羅遠(yuǎn)祉.微帶天線理論和技術(shù)的進展[J].電子科學(xué)學(xué)報，1989，11（3）：290?298.

[4]林昌祿，宋錫明.圓極化天線[M].北京：人民郵電出版社，1996.

[5]張夔.微帶天線的優(yōu)化與設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2000.

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[8]YAZIDI M，HIMDI M，DANIEL J P.Aperture coupled mi?crostrip antenna for dual frequency operation[J].Electronics Letters，1993，29（17）：1506?1508．

[9]曾文波.方形切角圓極化微帶天線的設(shè)計[J].廣西工學(xué)院學(xué)報，2004，15（3）：13?16.

Design of multi?layer circularly polarized microstrip antenna in satellite navigation receiver system

WANG Xi?long1，WEI Kun2
（1.Navy Representative Office of 431 Plant，Huludao 125000，China；2.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite naviga?tion receiver system.The double?deck circularly polarized antenna，which receives signals from the GPS withL1frequency point andL2frequency point is studied and designed to save space.The double?deck antenna consists of two separate single feed point antenna，which is working atL1frequency range andL2frequency range independently，right?hand circular polarization and left?hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna.It′s easy to debug and in?stall since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material.The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain，excellent polarization and qualifies bandwidth requirement，and it is suitable for satel?lite navigation receiver system application.

circular polarization；microstrip antenna；double?deck superposition；single feed point

TN820.1?34

A

1004?373X（2015）09?0065?03

王喜龍（1975—），男，遼寧省錦州市人，工程碩士，高級工程師。主要研究方向為微帶天線設(shè)計及研究。

2014?11?05