一種面向?qū)Ш綉?yīng)用的電容耦合四點饋電的寬帶雙層微帶天線*

王 超，艾永強(qiáng)，張振杰，鄭 偉，楊文麗

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著社會和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)以其全球性、全能性、 全天候性的導(dǎo)航定位、定時、測速優(yōu)勢在社會生活和經(jīng)濟(jì)中扮演著越來越重要的角色。目前建成的GNSS包括BEIDOU、GPS、GALILEO、GLONASS四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。上述GNSS已經(jīng)成功應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、授時和測速等場景中。單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)目較少，衛(wèi)星少則導(dǎo)致信號在空間內(nèi)的覆蓋范圍有限，即單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù)精度將降低，因此能夠接收不同導(dǎo)航系統(tǒng)信號的多模用戶終端，因為其更靈活的導(dǎo)航定位功能以及根據(jù)實際需求選取不同衛(wèi)星導(dǎo)航信號的優(yōu)勢具有更廣泛的應(yīng)用前景。

能夠接收多種不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號的天線即為多模天線，高性能的多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線是多模用戶終端的關(guān)鍵組成部分[1-2]。多模衛(wèi)星導(dǎo)航天線要求能夠覆蓋四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)模式。經(jīng)過分析，1.1 GHz～1.6 GHz頻段可以覆蓋四大導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航頻段。微帶天線以其低剖面、低成本、易共形以及易于加工等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中，然而常規(guī)微帶天線因為帶寬較窄而無法得到更廣泛的應(yīng)用。通常可以采用層疊耦合[3-7]、貼片開槽[8-13]、L形探針耦合[14-15]、縫隙耦合多饋電[16-17]等多種方法展寬天線帶寬，但是都很難兼顧寬帶和圓極化性能。本文提出了一種電容耦合四點饋電的寬帶雙層微帶天線，實現(xiàn)了滿足工作頻段覆蓋四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能要求。

1 天線單元設(shè)計

天線單元采用雙層空氣微帶天線形式，在1.1 GHz～1.6 GHz頻帶內(nèi)實現(xiàn)雙頻工作，天線單元的截面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。利用TM01模微帶貼片設(shè)計經(jīng)驗公式，計算得到天線單元工作于F1(1.176 GHz)和F2 (1.575 GHz)頻點時的雙層微帶直徑及空氣層高度。使用仿真軟件對天線單元進(jìn)行建模仿真分析，將理論值作為初始值進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終使雙層空氣微帶分別諧振在F1和F2兩個頻點附近。同時，在饋電探針頂端使用“凹型”結(jié)構(gòu)對微帶貼片進(jìn)行電容耦合饋電，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(H4、D4、D5)來改變“凹形”結(jié)構(gòu)電容特性，使天線單元在F1和F2之間F3(1.41 GHz)頻點處增加一個諧振點，進(jìn)一步達(dá)到展寬帶寬的目的。

同時使用四點饋電技術(shù)進(jìn)一步展寬天線帶寬，利用4個在空間和相位依次相差90°的信號激勵，實現(xiàn)很好的圓極化性能、方向圖的旋轉(zhuǎn)對稱性和相位中心的穩(wěn)定性。反射杯還可進(jìn)一步地改善方向圖等化性能，減少后瓣輻射和展寬天線波束寬度。

利用仿真軟件對天線的電性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，仿真得到的天線尺寸如表1所列。天線的駐波比曲線如圖2所示，典型頻點的增益方向圖如圖3所示。

圖1 天線單元截面結(jié)構(gòu)示意圖

天線整體尺寸D1D2D3D4D5H1H2H3H4Φ150×56150102.27464.85621254.1

圖2 天線駐波比曲線

(a) 1 176.45 MHz(L5、E5a、B2)

(b) 1 268.52 MHz(B3)

(c) 1 575.42 MHz(L1)

2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

要提高天線的圓極化特性和圓極化帶寬，需要在寬帶范圍內(nèi)，實現(xiàn)對四個饋電點依次提供0°，90°，180°和270°的相位和相同的幅度。為了實現(xiàn)天線的小型化、集成化和低剖面設(shè)計，饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙層微帶結(jié)構(gòu)，由Wilkinson功分器和Schiffman移相器構(gòu)成。下層網(wǎng)絡(luò)由第一級功分器和第一級180°移相器構(gòu)成，上層網(wǎng)絡(luò)為第二級功分器和后一級兩個90°移相器，兩層網(wǎng)絡(luò)通過同軸線相連。三個Wilkinson功分器提供等幅激勵，一級180°移相器和二級90°移相器實現(xiàn)四個網(wǎng)絡(luò)輸出口相位依次相差90°。

經(jīng)過仿真，得到網(wǎng)絡(luò)各個端口的駐波比曲線如圖4所示，圖5為頻段內(nèi)四個輸出端口的相位特性。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)駐波比及功分特性曲線

圖5 網(wǎng)絡(luò)相位特性

3 天線設(shè)計結(jié)果

在仿真軟件中，天線和饋電網(wǎng)絡(luò)集成后的模型如圖6所示，天線整體尺寸為Φ150 mm*93 mm，對集成后天線整體進(jìn)行了仿真驗證。圖7為1.1 GHz～1.6 GHz頻段內(nèi)天線的電壓駐波比結(jié)果，結(jié)果顯示在1.1 GHz～1.6 GHz頻段內(nèi)天線的電壓駐波比小于1.4，滿足天線的設(shè)計指標(biāo)要求。

圖8為天線在典型頻點上八個切面的增益和軸比方向圖。從圖中可以看出，天線在0°處增益均大于6 dBi，且在±70°的范圍內(nèi)，天線增益均大于-2.5 dBi，方向圖旋轉(zhuǎn)對稱性好。在±70°范圍內(nèi)，天線軸比均小于3 dB，天線圓極化特性好。且因為應(yīng)用了四點饋電設(shè)計，天線的相位中心穩(wěn)定度較好。

圖6 天線整體模型

圖7 天線整機(jī)駐波比曲線

(a) 1 176.45 MHz(L5、E5a、B2)

(b) 1 268.52 MHz(B3)

(c) 1 575.42 MHz(L1)

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種電容耦合四點饋電的寬帶雙層微帶天線，該天線工作頻段覆蓋1.1 GHz～1.6 GHz四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻段，天線采用雙層微帶結(jié)構(gòu)，通過“凹形”結(jié)構(gòu)進(jìn)行電容耦合四點饋電，帶反射腔的雙層空氣微帶天線與雙層寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計實現(xiàn)天線的低剖面、小型化特性，同時該天線在工作頻段內(nèi)的性能均滿足電性能指標(biāo)。在工作頻段內(nèi)，天線電壓駐波比小于1.4，0°增益大于6 dBi，±70°增益大于-2.5 dBi，±70°內(nèi)軸比小于3 dB，均滿足設(shè)計要求，可以很好地應(yīng)用于地面多模用戶終端。