一種用于GPS的小型化全向圓極化天線設(shè)計

王晨陽 劉英 賈永濤 王侃

摘要 圓極化天線在衛(wèi)星導(dǎo)航通信、雷達(dá)及信息對抗上有非常重要的作用.本文提出了一種工作在GPS L1頻段（1.575 GHz）上的小型圓極化天線，它具有較低的剖面和較小的尺寸，結(jié)構(gòu)緊湊、饋電簡單，并呈現(xiàn)良好的全向圓極化特性.天線的輻射結(jié)構(gòu)由一個4軸弧形貼片和直接饋電的金屬柱組成，同時，貼片內(nèi)環(huán)引入額外的弧形枝節(jié)，外環(huán)枝節(jié)的末端引入4個短路探針來實(shí)現(xiàn)天線的小型化.通過Ansoft HFSS 16.1對該天線進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明，該圓極化天線在1.575 GHz頻段上具有良好的駐波特性，且工作頻帶內(nèi)的軸比<3 dB，最高增益達(dá)到0.2 dBic.

關(guān)鍵詞?全向圓極化;短路針;軸比;低剖面

中圖分類號TN820

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

0?引言

極化是電磁波的一個重要特性.電磁波根據(jù)極化形式可分為線極化波、圓極化波和橢圓極化.為有效避免線極化天線在發(fā)射接收時極化失配的情況，在飛行器或一些彈載設(shè)備上，圓極化具有更好的穩(wěn)定性.同時，圓極化波可以減少復(fù)雜環(huán)境中電磁波的多徑衰落和多徑反射效應(yīng)，保證電磁波的高功率傳播.此外，在現(xiàn)代電子戰(zhàn)中，圓極化波可以起到更好的偵察作用和干擾作用.因此，圓極化天線在衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)、電子對抗和電視廣播中有著廣泛的應(yīng)用[1-2].近年來，對于圓極化天線的需求日益增長，國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)提出各種各樣的全向圓極化天線[3-7].伴隨著天線不斷小型化的趨勢，小型化的圓極化天線成為目前的一個研究熱點(diǎn).

本文提出一種工作在GPS L1頻段上的全向圓極化天線，其在工作頻點(diǎn)1.575 GHz處具有良好的駐波特性和全向圓極化特性，同時，該天線具有較小的尺寸和剖面，饋電簡單，在飛行器和一些彈載設(shè)備上有著很好的應(yīng)用前景.

1?天線工作機(jī)理

根據(jù)電磁場與天線理論[8]，如圖1所示，位于坐標(biāo)原點(diǎn)沿著z軸放置的偶極子天線，其遠(yuǎn)場方向圖可以表示為

式中，L是偶極子天線的長度，Z0是空間波阻抗，I是偶極子上的電流強(qiáng)度，λ為天線的工作波長，r為觀察點(diǎn)到原點(diǎn)的距離.

而對于一個圓心處于原點(diǎn)，xoy面上的電小環(huán)天線，其遠(yuǎn)場方向圖可以表示為

式中，a是偶極子天線的長度，Z0是空間波阻抗，I是電小環(huán)上的電流強(qiáng)度，λ為天線的工作波長，r為觀察點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，β是相移常數(shù)，J1（βasin θ）是βasin θ的一階貝塞爾函數(shù).

由式（1）、（2）可以看出，當(dāng)相同的電流I激勵在偶極子天線和環(huán)天線時，它們產(chǎn)生的電場方向分別是垂直極化和水平極化的，因此它們相互正交，且相位差相差90°.因此，將這種天線如圖1垂直放置時，它們產(chǎn)生的疊加場為

因此，當(dāng)πβa2=L時，可以實(shí)現(xiàn)RA=0 dB，此時天線的輻射波將呈現(xiàn)出理想的圓極化特性.由于偶極子天線和環(huán)天線產(chǎn)生的輻射場均與方位角φ無關(guān)，因此，偶極子和環(huán)天線的組合可以形成全向圓極化的特性.

2?天線設(shè)計與仿真

基于上述理論，本文提出了一款小型全向圓極化天線.天線結(jié)構(gòu)由金屬貼片、饋電金屬柱和4個短路探針3部分組成.其中金屬貼片采用4軸形式，末端引出4個弧形枝節(jié)，印刷在厚度為1 mm、介電常數(shù)為6.0的Rogers TMM6介質(zhì)板上，處于中心的金屬柱底部連接印刷在0.6 mm厚度的Rogers TMM6下層介質(zhì)板上的金屬環(huán)，并與饋電端口相連接，電流流經(jīng)中心金屬柱并耦合到頂層的金屬貼片上.如上節(jié)所述，處于上層介質(zhì)上的帶有弧形枝節(jié)的貼片可以產(chǎn)生水平極化的電磁波，而金屬柱上電流可以輻射出垂直極化的電磁波，且這兩種電磁波相互正交，相位相差90°，因此在遠(yuǎn)場可以疊加形成沿水平面方向傳播的右旋圓極化波.

為了實(shí)現(xiàn)天線的小型化，弧形枝節(jié)末端通過4個短路針接地，同時貼片的每個軸上引入額外的弧形枝節(jié).整個天線為單端口饋電，最終天線整體尺寸為23 mm×23 mm×9.1 mm，工作頻段在GPS L1頻段（1.575 GHz）.天線結(jié)構(gòu)如圖2所示.相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為R=13.5 mm，Wo=2 mm，Wa=0.8 mm，Rc=1.25 mm，Rii=1.6 mm，Ri=2.1 mm，Rn=8.8 mm，Wf=2.5 mm，Ws=0.2 mm，Tr=1 mm，Ts=0.6 mm，H=9.1 mm.

3?結(jié)果及分析

為了說明該設(shè)計的可行性，對該天線進(jìn)行了仿真和加工實(shí)測.圖3是天線的S11曲線，可以看出所提出的天線在1.575 GHz處的仿真和實(shí)測的S11均在-10 dB以下.天線的軸比如圖4所示，可以看出，1.575 GHz下天線的水平面軸比在0°～360°內(nèi)均在2.8 dB左右，且天線的軸比在1.565～1.585 GHz頻帶內(nèi)均小于3 dB，說明天線具有良好的全向圓極化特性.為了進(jìn)一步說明天線的輻射特性，對天線的遠(yuǎn)場特性進(jìn)行了仿真和實(shí)測.圖5是天線的主極化和交叉極化的增益方向，在1.575 GHz處，天線的右旋圓極化峰值增益達(dá)到了0.2 dBic，同時θ=90°和φ=0°面的交叉極化的幅度均遠(yuǎn)小于主極化的幅度，因此天線具有良好的右旋全向圓極化輻射特性.天線實(shí)際測試結(jié)果很好地驗(yàn)證了仿真設(shè)計的合理性.

4?結(jié)束語

本文針對工程需要提出了一種單饋型的小型化全向圓極化天線，天線結(jié)構(gòu)由加載弧狀枝節(jié)的貼片和中心柱金屬形成全向的圓極化輻射.天線工作在GPS L1頻段上，具有低剖面、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電簡單的優(yōu)點(diǎn)，仿真結(jié)果表明該天線在GPS L1頻段具有良好的圓極化特性，且易于工程實(shí)現(xiàn).因此，在飛行設(shè)備上和彈載設(shè)備上具有很好的應(yīng)用價值.

參考文獻(xiàn)References

[1]?林昌祿，宋錫明.圓極化天線[M].北京：人民郵電出版社，1986

LIN Changlu，SONG Ximing.Circularly polarized antenna[M].Beijing：Post & Telecom Press，1986

[2]?余恒清，符果行.電磁波極化的教學(xué)研究[J].天線與電波傳播，1996，18（2）：45-47

YU Hengqing，F(xiàn)U Guoxing.Teaching research on electromagnetic wave polarization[J].Journal of Electrical & Electronic Engineering Education，1996，18（2）：45-47

[3]?Pan Y M，Zheng S Y，Li W W.Dual-band and dual-sense omnidirectional circularly polarized antenna[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2014，13：706-709

[4]?Zhou B，Geng J P，Bai X D，et al.An omnidirectional circularly polarized slot array antenna with high gain in a wide bandwidth[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2015，14：666-669

[5]?Cai Y M，Gao S，Yin Y Z，et al.Compact-size low-profile wideband circularly polarized omnidirectional patch antenna with reconfigurable polarizations[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2016，64（5）：2016-2021

[6]?Pan Y M，Zheng S Y，Hu B J.Wideband and low-profile omnidirectional circularly polarized patch antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（8）：4347-4351

[7]?Yu D，Gong S X，Wan Y T，et al.Wideband omnidirectional circularly polarized patch antenna based on vortex slots and shorting vias[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62（8）：3970-3977

[8]?Kraus J D，Mathefka R J.Antennas for all applications[M].3rd ed.New York：McGraw-Hill，2003