多頻雙圓極化北斗天線設計

周濤，張豪，邊成，李灝一

(四川九洲電器集團有限責任公司，四川 綿陽 621050)

0 引言

北斗系統(tǒng)作為由我國自主研發(fā)的新一代衛(wèi)星導航系統(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，相當于整個系統(tǒng)的耳目，它的性能好壞將直接影響衛(wèi)星導航系統(tǒng)的優(yōu)劣。在衛(wèi)導天線的設計中，微帶天線因其成本低、結構簡單、尺寸小等優(yōu)勢，成為終端導航設備天線的研究熱點[3]。在北斗天線的工程應用中，多頻段小型化是天線設計的重點和難點[4-5]，多頻圓極化微帶天線的實現方法通常有：采用堆疊結構實現多頻圓極化、多元法實現多頻圓極化、采用縫隙加載實現多頻圓極化、通過加載臂結構實現多頻圓極化等[6-8]。

本文采用堆疊結構實現多頻圓極化，實現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。對于多頻段的圓極化天線，相關領域的研究多為天線的輻射體設計[9-12]，很少有研究小型化情況下的多端口饋線設計實際問題[12-13]。在實際使用中多頻段存在同時工作的情況，因而多端口輸出是工程研制中必須處理的問題。本文研制的多頻雙圓極化天線在60 mm×60 mm×21.6 mm 的尺寸下實現多端口獨立輸出，仿真和實測結果表明該天線性能良好，各項指標滿足北斗系統(tǒng)對天線性能的要求。

1 天線結構設計

整個天線結構分為6層，實現了每個工作頻段都有獨立端口輸出的天線設計，外形如圖1 所示。L1為最底層，采用帶狀線為B3 頻點設計印刷饋電網絡，厚度為2 mm，介電常數為3.2；L2為B3 頻點的輻射體層，厚度為4.7 mm，介電常數為6.15；L3為低介電常數填充層，厚度為5 mm；L4為印刷的定向耦合器饋電網絡，厚度為0.8 mm，介電常數為3.2；L5為L 和B1 的共用輻射層，厚度為4.1 mm，介電常數為6.15；L6為S 頻點的輻射體，厚度為5 mm，介電常數為16。整個天線單元尺寸為60 mm×60 mm×21.6 mm。

1.1 B3 天線設計

最下層天線輻射體外形如圖2(a)所示，輻射B3 頻點，其中W1=60 mm，W2=46 mm。雙饋法的圓極化天線設計主要在于饋電網絡的設計，本文采用Wilkinson 功分器級聯90°移相器[14]，結構如圖2(b)所示，雙饋形成右旋圓極化輻射。

1.2 B1 及L 頻段天線設計

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，中間層饋電網絡采用3 dB 定向耦合器，結構外形如圖3(b)所示，從兩端口分別饋電，同時使用雙層輻射體擴展帶寬，可以分別實現B1 和L 頻段的右旋和左旋圓極化[15-16]。

實際設計中，考慮到如果將饋電網絡同樣置于L1，此時饋電探針長度大于15 mm，將會引入電感，對駐波匹配產生影響，常用的處理方式為在饋電點增加一個容性環(huán)進行補償。但是這樣引入一個新的問題，從L1底部通過K2饋電時，饋電探針會穿過底層輻射體L5和L4，若給底層輻射體開口直接饋電，增益由于耦合，會損失嚴重。解決方法是將饋電網絡置于L4，由于L3為低介電填充材料，對微帶電路影響很小，同時從天線輻射體中部開口于K1處饋電，圖3 中W3=45 mm，W4=32 mm。

1.3 S 頻段天線設計

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，在輻射貼片表面產生TM01模式和TM10模式，從而產生產生兩個相互正交的電場分量，形成圓極化[17]。將L5層輻射體作為地，通過50 Ω 同軸線對L6進行饋電，其中W5=35 mm，W6=10.8 mm。

2 結果與分析

2.1 仿真結果

采用HFSS 電磁仿真軟件進行仿真，本天線設計有4 個諧振頻率，且均有獨立輸出端口。通過仿真可以看出，駐波帶寬均滿足各頻段要求，仿真結果如圖5 所示；增益方向圖仿真結果如圖6 所示，B3 頻點(1 268 MHz)法線增益大于6.4 dBi，B1(1 561 MHz)和L(1 575 MHz)頻點法線增益約3 dBi，S 頻段(2 491 MHz)增益大于4 dBi。本天線在實現小型化的同時，仿真結果仍然具有良好的性能，滿足北斗衛(wèi)星對天線的性能指標要求。

2.2 實測結果

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

3 結論

針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)對天線的小型化、多頻段和圓極化的需求，本文設計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，仍能保證天線性能。通過饋電網絡的合理設計，實現了每個頻段端口的獨立輸出，相對于單端口多諧振點的多頻段天線在實際工程運用

中更具實用性。仿真和實測結果表明天線在實現天線小型化的同時，增益較高，能滿足北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的使用要求，具有廣闊的應用前景。