北斗寬波束“U”型槽雙頻微帶天線的設(shè)計

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(湖北大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，武漢 430062)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國獨立研發(fā)經(jīng)營的導(dǎo)航系統(tǒng)，已逐步投入使用，并在國民經(jīng)濟社會各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。同時，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航終端的日益普及，對終端天線的性能參數(shù)和尺寸有了更高的要求。目前關(guān)于北斗圓極化天線的寬波束、小型化、多頻帶及高性能的研究也成為了熱點[1]?？紤]北斗衛(wèi)星在民用方面的應(yīng)用，設(shè)計出能夠滿足工作在北斗衛(wèi)星B2頻段(1 210±10 MHz)和B3頻段(1 268±10 MHz)的雙頻微帶天線具有一定意義。

微帶天線具有重量輕、體積小、易于集成等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛使用在各種場合。為提高定位精度，希望天線具有較高增益和較寬的波束；為兼容各種導(dǎo)航系統(tǒng)，需要在多個頻段工作。文獻[2]設(shè)計的介質(zhì)埋藏微帶八木天線結(jié)構(gòu)，天線的增益較高，但尺寸較大；文獻[3]采用層疊結(jié)構(gòu)設(shè)計的寬波束天線，圓極化性能較好，設(shè)計簡單，但是制作工藝較復(fù)雜；文獻[4]設(shè)計了六邊形環(huán)和缺陷地結(jié)構(gòu)的寬頻帶多頻微帶天線，天線尺寸較小，增益較高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，波束范圍不寬。

本文結(jié)合微帶天線雙頻圓極化理論，采用一種新型同軸線饋電結(jié)構(gòu)，通過在貼片上開“U”型槽，使微帶天線同時工作在北斗B2頻段(1 210±10 MHz)和B3頻段(1 268±10 MHz)，從而實現(xiàn)微帶天線的雙頻化。本文的設(shè)計方法簡單，通過HFSS對該天線進行了仿真和優(yōu)化，結(jié)果表明具有較好的圓極化性能，較寬的波束，達到設(shè)計要求。

1 圓極化微帶天線的理論基礎(chǔ)

1.1 矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)及機理

矩形微帶天線的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，貼片尺寸為L×W，一般天線長度L約為λ/2；h為貼片與地板間的距離，一般h遠遠小于λ。根據(jù)傳輸線理論，貼片、基板以及接地板可以當成兩端開路的λ/2傳輸線。由于h<<λ，所以在h方向上電場基本無變化。假設(shè)W方向電場也無變化，如果僅考慮主模激勵，則該等效傳輸線場結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，能量輻射主要產(chǎn)生在貼片的開路邊緣。以接地板為參考面，這些場可分解成法向分量與切向分量，且法向分量與切向分量的方向相反。一般，微帶天線可用兩個距離為λ/2的縫隙天線等效，縫隙天線是沿著接地板上面區(qū)域進行輻射的，縫隙長度為ΔL，如圖1(c)所示。矩形微帶天線單元的電流分布仿真如圖1(d)圖所示，可見天線主要在接地板上面的空間中進行輻射，而且電場的方向是垂直于寬邊的[5]。

圖1 微帶天線輻射機理

1.2 微帶天線的饋電和極化方式

微帶天線中常用的饋電方式是微帶線饋電和同軸線饋電，微帶線饋電是將傳輸線和貼片集成在一起，利用微帶傳輸線饋電，并根據(jù)天線的激勵模式確定饋電點的位置。采用微帶線饋電，需要確定天線尺寸后，再進行阻抗匹配，但貼片尺寸加工時如果存在變化，將會改變天線的輸入阻抗，因此，需要調(diào)整阻抗匹配電路。同軸線饋電是在接地板上插入同軸線，使介質(zhì)基板上的同軸線內(nèi)導(dǎo)體與輻射貼片連接在一起，只要選擇適當?shù)酿侂婞c位置，就可以獲得較好的阻抗匹配。

微帶天線的設(shè)計還需要考慮天線的極化，根據(jù)天線輻射時電場的運動軌跡，可分為線極化、橢圓極化和圓極化。橢圓極化和圓極化又可分為左旋極化和右旋極化。天線的極化方式可以用長軸長度與短軸長度的比值，即軸比(Axial Ratio)來區(qū)別。如果軸比AR=∞則表示為線極化波；如果軸比AR=1表示為圓極化波[6]?？梢姡S比值越接近1，表明圓極化程度越好。

對于圓極化天線而言，其只能發(fā)射或接收圓極化波。如果用微帶天線形成圓極化波，其核心部分需要激發(fā)兩個線極化波，要求二者極化方向正交，幅度一樣，相位間隔90°，這樣才可以獲得圓極化波的輻射[7]。圓極化的微帶天線通常可采用單點饋電法、兩點正交饋電和多元法3種圓極化方式。單點饋電法主要是通過在貼片中的切角或者開槽等引入微擾，形成極化波的幅值相等、方向正交的兩個簡并模式。如果采用切角的方式，則切角的尺寸及饋電點的位置是決定天線性能的重要參數(shù)。相比于單點饋電法，兩點正交饋電方法一般需要借助于饋電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)90°相移，常見的饋電網(wǎng)絡(luò)有T型功分器或3 dB電橋等。多元極化方法與兩點饋電圓極化形成的原理類似，主要是形成多個相移網(wǎng)絡(luò)，等效一個微帶陣列；可采用多個幅值相同、相位間隔90°的線極化輻射源實現(xiàn)圓極化，一般饋電的相位分別是0°、90°、180°、270°，振幅均相同[8-10]。北斗系統(tǒng)的終端天線要求采用右旋圓極化波，如果用軸比表征其圓極化性能，通常只需要北斗天線在最大輻射方向上的軸比不大于6 dB， 回波損耗S11不大于-10 dB就可以滿足實際需求。

2 雙頻微帶天線的設(shè)計

為適合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作范圍，雙頻微帶天線的指標要求為：工作頻帶為B2(1.20～1.22 GHz)和B3(1.258～1.278 GHz)，中心頻率為1.21 GHz和1.268 GHz，天線的方向增益不低于3 dB，回波損耗不高于-10 dB。根據(jù)前面的基礎(chǔ)理論，結(jié)合雙頻微帶天線設(shè)計方法，本文設(shè)計出常規(guī)的矩形微帶天線，并采用同軸線饋電方式，利用正交饋電法來實現(xiàn)圓極化，并對貼片尺寸電路進行了優(yōu)化。為實現(xiàn)雙頻工作，采用的是開U型槽的方法，具體的設(shè)計過程如下。

2.1 矩形貼片微帶天線設(shè)計

矩形貼片微帶天線的性能主要和介質(zhì)基板的長度、寬度有密切關(guān)系；介質(zhì)基板的材料選取對天線的性能也有非常重要的影響。對于一般的矩形貼片微帶天線，當工作頻率一定時，基片的相對介電常數(shù)與尺寸為反比關(guān)系，對于其他類型的微帶天線也有同樣的關(guān)系。因此，為了保證微帶天線的小尺寸，應(yīng)選取相對介電常數(shù)較高的材料。但是，較高的相對介電常數(shù)將降低天線的效率。為了保證天線的輻射效率，基片的厚度應(yīng)在(0.005～0.1)l0，l0 為電波在空氣中波長[11]。

根據(jù)天線的工作頻率和基板參數(shù)，可以利用下面公式(1)～(5)可計算出矩形貼片長L和寬w的理論尺寸[9]。

(1)

式中，c是光速，εr是基板的介電常數(shù)，f為天線的工作頻率。

理論上，貼片單元的長度Le：

(2)

式中，λg為波導(dǎo)波長，εe是基板的相對介電常數(shù)。

考慮邊緣場的影響，貼片的實際長度L應(yīng)在理論長度Le中減去等效的輻射縫隙長度ΔL的兩倍，即：

L=Le-2ΔL

(3)

(5)

式中，h為基板厚度。

為了滿足北斗系統(tǒng)接收端天線對下行鏈路電磁波的要求，需要實現(xiàn)右旋圓極化波。文本采用一種新型饋電結(jié)構(gòu)，如圖2所示，我們將輻射貼片的諧振長度記作Lc，通過微調(diào)，使得諧振長度略偏離諧振，設(shè)貼片的一邊長為(Lc+a)，一邊為(Lc-a)。這樣，前者阻抗表現(xiàn)出容性，容抗大小為Y=G-jB；后者阻抗表現(xiàn)為感性，感抗大小為Y=G+jB，然后通過調(diào)整a，使二者的電抗分量與電阻分量相等，即B=G。則可以得到兩個大小相同、相位分別是±45°的阻抗值，符合前面的圓極化的要求，因此可以構(gòu)成了圓極化帶天線。而饋點所處的位置決定了圓極化微帶天線的旋向，圖2中的A點對應(yīng)右旋圓極化波，B點對應(yīng)左旋圓極化波[12]。按照理論分析，若貼片的長寬之間滿足L/w=1.029，即(Lc+a)/(Lc-a)=1.029，推導(dǎo)出a=0.0143Lc時，可以使模式TM01和模式TM10之間相位差達到90°。此外，該模型的50 Ω饋電點處于對角線上，而且與貼片正中心的位置距離一般在(0.11～0.15)Lc之間[13]。根據(jù)上述理論，輻射貼片的尺寸設(shè)計為：L=Lc+a，W=Lc-a，a=0.0143Lc，反饋點選擇A，將能得到右旋圓極化波。

圖2 圓極化同軸饋電示意圖

先設(shè)計北斗B2頻段(1 210±10 MHz)矩形天線的尺寸，微帶天線的基板材料選用Rogers TMM10i，其相對介電常數(shù)εr=9.8，基板厚度取h=0. 8 mm。代入公式(1)～(5)，利用經(jīng)驗公式，得出天線貼片長度L和寬度W的初始尺寸：Lt=L=W=53.48 mm。為得到圓極化波，對貼片尺寸進行優(yōu)化，微調(diào)長度設(shè)為a=0.0143Lt=0.76 mm ，以便得到圓極化波，則L=Lt+a=54.24 mm，W=Lt-a=52.72 mm。

微帶天線的輻射方向圖為：

(6)

其中:k=/c，c為光速。通常微帶介質(zhì)天線的截面為圓形棒狀結(jié)構(gòu)，它的相速與εr以及介質(zhì)棒直徑d的關(guān)系可從文獻[8]中的查表得到。當k取得最佳值(kop)時，可以使天線獲得最好的方向性，而k與基板延伸長度l和λ0的關(guān)系滿足[14]：

(7)

當介電常數(shù)給定時，需要通過選取適當?shù)慕孛嬷睆絛得到kop。此時天線的方向性系數(shù)表達式為：

g=(7～8)l/λ0

(8)

若采用板狀結(jié)構(gòu)，則可將其等效為d=(A+h)/2的圓形結(jié)構(gòu)，然后采用上面理論及公式來設(shè)計。

其中h為基板厚度，A為基板長度，l為基板延伸的長度?；彘L度A與基板延伸長度l及貼片長度a、寬度b之間滿足經(jīng)驗公式[10]

(9)

按照上面尺寸設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)，經(jīng)過HFSS仿真，發(fā)現(xiàn)在10°仰角處增益約等于-3 dB，則介質(zhì)天線在切向處增益應(yīng)不小于3 dB，即其方向性系數(shù)不小于3 dB。將g= 3 dB 代入公式(8)，可求出介質(zhì)板延伸長度l=93.2 mm，再由公式(7)仿真優(yōu)化后取l=86 mm；最后由公式(9)算出基板長度A=226.24 mm。

本文利用這個理論設(shè)計了傳統(tǒng)矩形微帶天線，并在HFSS中仿真及優(yōu)化[15]。傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)圖如圖3(a)所示，在B2頻段內(nèi)對端口進行仿真，得到電壓駐波比的仿真曲線如圖3(b)所示。

圖3 傳統(tǒng)微帶介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)圖及仿真圖

仿真結(jié)果表明在北斗B2頻段(1 210±1 0MHz)天線的電壓駐波比幾乎都小于2，說明端口間相互匹配較好，只有少數(shù)能量被反射。

2.2 雙頻微帶天線設(shè)計

使微帶天線工作在多個頻段的方法較多，我們采用開“U”型槽的方案，擬實現(xiàn)天線同時工作在兩個頻點，設(shè)計的貼片結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示?！癠”型縫隙單元的雙頻微帶天線印制在介質(zhì)基板上，天線貼片正面內(nèi)嵌入“U”型槽，背面的接地板直接接地，天線內(nèi)嵌入微帶饋線。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，是天線多頻工作最便捷的手段[16]。

此時天線包含兩個單元：L1×W1看作輻射單元1，產(chǎn)生低頻點發(fā)f1，f1隨著的L1增大而減??；L2×W2看作輻射單元2，產(chǎn)生高頻點f2，f2隨著L2的增大而減小。高頻點f2可由經(jīng)驗公式(10)進行估算：

(10)

若f2=1 268 MHz，則L2+W2=58.348 mm，經(jīng)優(yōu)化取L2=32 mm，W2=27 mm，G1=G2=2 mm。雙頻微帶介質(zhì)的天線的結(jié)構(gòu)圖如圖4(b)所示。

圖4 “U”型槽雙頻微帶介質(zhì)天線結(jié)構(gòu)圖

3 微帶天線的性能仿真及分析

通過HFSS仿真平臺，對前面優(yōu)化參數(shù)后的新型微帶介質(zhì)天線進行了性能仿真，得到的回波損耗S11曲線如圖5所示。從圖5中可以看出天線有兩個諧振點，分別在1.21 GHz和1.268 GHz處，B2頻帶內(nèi)的S11在-24 dB左右，B3頻帶內(nèi)的S11在-29 dB左右?？梢?，頻帶1.20～1.278 GHz內(nèi)S11均小于-10 dB，滿足設(shè)計要求。

圖5 “U”型槽雙頻微帶介質(zhì)天線S11曲線圖

通過HFSS仿真，得到B2頻段(1 210±10 MHz)和B3頻段(1 268±10 MHz )內(nèi)的天線增益曲線如圖5(a)、(b)。從圖中可以看出，增益曲線近似完全對稱，則表明天線是各向均勻輻射。圖5(a)中天線在-72°～72°范圍內(nèi)天線增益均高于0 dB，最大輻射方向(θ=0大，φ=0大)增益高于4 dB；圖5(b)天線在-80°～80°范圍內(nèi)天線增益均高于0 dB，最大輻射方向(θ=0°，φ=0°)增益高于5 dB，整體滿足設(shè)計要求。

圖6 “U”型槽雙頻微帶介質(zhì)天線增益曲線圖

圖7 “U”型槽雙頻微帶介質(zhì)天線軸比仿真曲線

通過HFSS仿真，得到B2頻段(1 210±10 MHz)和B3頻段(1 268±10 MHz )內(nèi)的軸比曲線如圖7所示。從圖7(a)中可以看出B2內(nèi)軸比小于2.8 dB；圖7(b)看出B3內(nèi)軸比小于2 dB。圖7(c)為天線E面法向軸比曲線，從圖中可看出，B2頻段在-135°～130°俯仰角范圍內(nèi)軸比均不大于6 dB；B3頻段在-105°～105°俯仰角范圍內(nèi)軸比均不大于6 dB。圖7(d)為天線H面法向軸比曲線圖，從圖中可以看出，B2頻段和B3頻段在-105°～105°之間，軸比均不大于6 dB?？梢姡炀€的圓極化性能較好，增益滿足要求，且具有較寬的波束，可達到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的微帶介質(zhì)天線，在結(jié)構(gòu)上保留了微帶天線的特點，在性能上綜合了微帶天線和介質(zhì)天線的優(yōu)點，使天線在法向和切向上同時具有較大的增益；利用一種新型的同軸線饋電方式，產(chǎn)生右旋圓極化波；利用在貼片上開“U”型槽，實現(xiàn)了在北斗B2頻段和B3頻段工作的雙頻微帶介質(zhì)天線，而且實現(xiàn)了寬波束的目的。本文的設(shè)計方法簡單，通過HFSS對該天線進行了性能仿真和參數(shù)優(yōu)化，仿真結(jié)果表明天線的回波損耗S11小于-20 dB；雙頻帶內(nèi)的增益大于3 dB；軸比小于6 dB；具有較寬的波束，滿足設(shè)計要求。本文設(shè)計的天線在寬波束的基礎(chǔ)上還能實現(xiàn)多頻段工作，且低仰角增益也有一定的改善，該模型結(jié)構(gòu)簡單易于制作，可為多頻段工作的圓極化天線的設(shè)計提供一定的參考。

[1]于雯雯，葛俊祥，周 勇﹒一種寬帶寬波束移動終端衛(wèi)星通信天線[J]﹒微波學(xué)報，2015，31(3)：44-46.

[2]倪國旗，劉 芳，韓非凡﹒用于北斗終端系統(tǒng)介質(zhì)埋藏天線的設(shè)計[J]﹒現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38(17)：75-79﹒

[3]黃 斌，王建武，楊建文,等﹒用于移動衛(wèi)星系統(tǒng)的寬波束雙頻微帶天線[J]﹒現(xiàn)代雷達，2008，30(12)：67-69.

[4]潘 勇，熊 江，李 潘﹒一種新型寬頻帶多頻微帶天線設(shè)計[J]﹒電訊技術(shù)，2015，55(4)：390-394.

[5]張 鈞．微帶天線理論與工程[M]. 北京：國防工業(yè)出版社, 1988.

[6]Wang L L．The Design And Simulation Of Dual-frequency Circularly Polarized Microstrip Antenna[A]．International Symposium on Antennas Propagation and Em Theory[C].IEEE, 2011:87-89.

[7]張嘉偉．雙頻圓極化微帶天線的設(shè)計[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[8]金 穎﹒寬波束微帶天線的研究[D]﹒西安：西安電子科技大學(xué)，2005.

[9]李 嘉，錢祖平．一種單饋雙頻雙圓極化微帶天線[A]．全國天線年會論文集[C].2009.

[10]董 濤．一種新式寬帶寬波束圓極化微帶導(dǎo)航終端天線設(shè)計[J]．2009年全國微波毫米波會議集，2009﹒

[11]Carver K, Mink J.．Microstrip antenna technology[J]．IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2003, 29(1):2-24.

[12]邱桂霞．北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端天線的設(shè)計及研究[D]．武漢：湖北大學(xué)，2016

[13]李洪彬，丁衛(wèi)平，余同彬.實現(xiàn)寬波束圓極化天線的幾種方法[J]．軍事通信技術(shù)，2011，32(1)：44-46

[14]楊永軍．一種可用于北斗衛(wèi)星信號接收的微帶天線設(shè)計[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38(7)：58-59﹒

[15]曹合適，張斌珍，趙 龍．基于HFSS 的多頻微帶天線分析與設(shè)計[J]．電子元件與材料,2015,34(6):53-56

[16]張乃柏，馬延爽,等．一種 C波段寬帶微帶天線的設(shè)計與仿真[J]．無線電通信技術(shù)，2014，40(4)：64-66