短接貼片加載的雙頻圓極化衛(wèi)星導(dǎo)航天線

摘" 要： 為了降低雙頻圓極化天線設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，文中介紹了一種用于雙頻全球定位系統(tǒng)（GPS）的緊湊型雙耦合短接貼片加載的貼片天線。該天線采用短接貼片加載技術(shù)，使得其整體尺寸僅為42 mm×42 mm×9 mm，同時(shí)利用超低成本的PPO塑料替代高介電常數(shù)的基板，從而實(shí)現(xiàn)了成本的降低。提出的緊湊型雙耦合短接貼片加載技術(shù)使得該天線能夠在L1/L2 GPS頻段共振。在L1/L2 GPS頻段上，該天線在具有大地平面的情況下表現(xiàn)出良好的性能。圓極化輻射增益在L2頻段達(dá)到3.12 dBic，在L1頻段達(dá)到4.08 dBic，顯示出較高的增益性能。同時(shí)，在這兩個(gè)頻段上，該天線的3 dB增益帶寬分別為31 MHz和43 MHz。因此，所提出的天線不僅具有低成本、雙頻、緊湊的特點(diǎn)，而且在L1/L2 GPS頻段具有良好的性能表現(xiàn)，是一種理想的貼片天線選擇。這種天線的設(shè)計(jì)和制造對(duì)于GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用具有重要意義，可以滿足對(duì)于低成本、高性能的天線需求。

關(guān)鍵詞： 圓極化； GPS； 微帶天線； 雙頻； 低成本； 短路加載

中圖分類號(hào)： TN82?34" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）17?0019?05

Dual?band circularly polarized satellite navigation antenna with shorted patch loading

LIU Yonghua1， LIN Fumin1， ZHANG Huafu2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Hi?Target Navigation Tech Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： A compact patch antenna with dual?coupled shorted patch loading for the dual?band global positioning system （GPS） is introduced to reduce the complexity and cost of the design of dual?band circularly polarized antenna. The shorted patch loading technique is employed in the antenna， so the overall dimensions of the antenna is only 42 mm×42 mm×9 mm， and the ultra?low?cost PPO plastic is utilized instead of the substrates with high dielectric constants， so as to achieve the cost reduction. The proposed compact dual?coupled shorted patch loading technique enables the antenna to resonate at the L1/L2 GPS frequency bands. At these bands， the antenna demonstrates good performance in the presence of a ground plane. Its circularly polarized radiation gains reach 3.12 dBic at the L2 band and 4.08 dBic at the L1 band， which indicates high gain performance. Additionally， the 3 dB gain bandwidths of the antenna at the two frequency bands are 31 MHz and 43 MHz， respectively. Therefore， the proposed antenna not only possesses the characteristics of low cost， dual?band and compactness， but also exhibits good performance at the L1/L2 GPS frequency bands， so it is an ideal patch antenna. The design and fabrication of the antenna are of great significance for the GPS application， and can meet the antenna demands of low cost and high performance.

Keywords： circular polarization; GPS; microstrip antenna; dual band; low cost; shorted loading

0" 引" 言

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，雙頻或多頻天線已成為無(wú)線通信系統(tǒng)最重要的組成部件之一， 引起了人們的廣泛關(guān)注[1?6]。在現(xiàn)代通信領(lǐng)域，天線技術(shù)已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。在眾多天線類型中，圓極化天線的設(shè)計(jì)與應(yīng)用顯得日益重要。其重要性主要源于其獨(dú)特的能力，即能夠接收來(lái)自各種極化方向的電磁波，同時(shí)其發(fā)射的圓極化波也能夠被其他類型的天線有效接收。此外，圓極化天線在抵抗雨霧等干擾因素以及減少多徑反射方面展現(xiàn)出卓越的性能。因此，在需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、應(yīng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境或滿足高精度要求的應(yīng)用場(chǎng)景中，如衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)通信以及軍事通信等領(lǐng)域，圓極化天線往往成為首選的天線類型。此外，微帶天線憑借其輕質(zhì)、低剖面以及易于集成的顯著優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中呈現(xiàn)出迅猛的發(fā)展態(tài)勢(shì)。如今，它已經(jīng)成為無(wú)線電系統(tǒng)中備受青睞的天線類型之一，廣泛被應(yīng)用于各種場(chǎng)景之中[7]。鑒于這些優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)需求，圓極化天線的研究與設(shè)計(jì)成為了通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。近年來(lái)，隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的蓬勃發(fā)展，衛(wèi)星接收天線因其能夠同時(shí)接收多頻段信號(hào)的特性而備受矚目。這些應(yīng)用對(duì)天線性能提出了更高的要求，尤其是在多頻段圓極化工作方面。實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化工作頻段的方法多種多樣，主要可歸納為兩大類：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻和多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻。對(duì)于單層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻，主要是通過(guò)在貼片上開(kāi)槽或加載電容、電阻等方式，改變貼片上場(chǎng)的分布，進(jìn)而獲得雙諧振的工作模式。而多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻，則可以選擇使用相同或不同介電常數(shù)的介質(zhì)基板，并通過(guò)設(shè)計(jì)不同貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的諧振性能，從而達(dá)到雙頻圓極化工作的目的[8?9]。進(jìn)入新千年，雙頻技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式取得了重大突破，尤其是通過(guò)縫隙天線實(shí)現(xiàn)的雙頻技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，十字縫隙輻射的耦合微帶天線便是一種典型代表，它能夠同時(shí)覆蓋GPS的L1和L2頻段，有效提升了天線的多頻工作能力。然而，這種設(shè)計(jì)也存在一定的局限性，即需要構(gòu)建一個(gè)復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)生成四路相位相差90°的信號(hào)，這無(wú)疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本[10]。

目前國(guó)內(nèi)外在近似尺寸的GNSS雙頻天線有如下的研究[11?13]，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于空氣介質(zhì)運(yùn)用雙短路探針來(lái)激發(fā)雙頻信號(hào)的貼片天線，該設(shè)計(jì)采用空氣介質(zhì)，無(wú)需使用昂貴的介質(zhì)基板，很好地降低了成本，但是空氣介質(zhì)尺寸無(wú)法進(jìn)一步壓縮。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于介電常數(shù)為2.65的F4B板材，運(yùn)用雙短路探針來(lái)激發(fā)雙頻信號(hào)的貼片天線，該設(shè)計(jì)尺寸僅有28 mm×28 mm×13 mm，但由于使用了F4B板材，盡管在射頻板材中算是價(jià)格親民的一種，但由于厚度高達(dá)13 mm，造價(jià)仍高昂。文獻(xiàn)[13]提出了一種寬帶的衛(wèi)星導(dǎo)航天線，該天線運(yùn)用了與本文類似的側(cè)面加載的方式，加上雙層天線的設(shè)計(jì)，使得可用頻帶比較寬，能覆蓋1.11～1.95 GHz的頻段，但是尺寸達(dá)到了60 mm×60 mm×36.6 mm，剖面過(guò)高，難以運(yùn)用到車載等用途。

本文設(shè)計(jì)了一種利用雙耦合短路加載貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化的平面天線，該天線通過(guò)探針直接饋電到正方形貼片，再在正方形貼片的周圍分別旋轉(zhuǎn)對(duì)稱地放置了4組雙耦合短路貼片結(jié)構(gòu)，通過(guò)正方形貼片與雙耦合電路之間的耦合與互耦產(chǎn)生高低兩種頻段的諧振頻點(diǎn)。通過(guò)改變耦合短路貼片結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)調(diào)整諧振頻點(diǎn)的偏移，從而達(dá)到精準(zhǔn)產(chǎn)生L1與L2兩個(gè)用于GPS衛(wèi)星導(dǎo)航的頻段。

1" 雙頻圓極化天線的設(shè)計(jì)

該雙頻段印刷天線的設(shè)計(jì)思路如下：

1） 通過(guò)受限制的空間大小確定偶極子的尺寸，由于該天線在設(shè)計(jì)之初就規(guī)定了整體尺寸為42 mm×42 mm×9 mm（[λ5.8×λ5.8×λ27]，[λ]是L2頻段中心頻率1.227 GHz的波長(zhǎng)），為了給短路加載留出空間，由此確定此天線的偶極子是邊長(zhǎng)[Lp]為21 mm的正方形。而通過(guò)調(diào)整饋電結(jié)構(gòu)可以改善天線阻抗匹配特性，該天線主要是通過(guò)調(diào)整饋電探針的相對(duì)位置來(lái)調(diào)節(jié)阻抗匹配。

2） 在偶極子附近設(shè)置雙耦合短路貼片加載。當(dāng)耦合短路貼片加載貼近從正方形貼片四邊中心延伸出來(lái)的四條臂時(shí)，會(huì)引入由該短路貼片的尺寸決定的諧振頻點(diǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)短路貼片的橫縱向長(zhǎng)度（Nl1～Nl5），可以改變引入諧振點(diǎn)的位置。為了實(shí)現(xiàn)雙頻，需要在該短路貼片旁邊再引入一組耦合短路貼片，通過(guò)調(diào)節(jié)短路貼片的橫縱向長(zhǎng)度（Nw1～Nw5），可以改變引入諧振點(diǎn)的位置。在此天線中，將新的諧振頻點(diǎn)設(shè)置在1.227 GHz與1.575 GHz頻點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)了L1與L2雙頻覆蓋，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

天線用的介質(zhì)基板是相對(duì)介電常數(shù)為3.6、厚度為9 mm的PPO塑料（聚苯醚）。該材質(zhì)成本超低，天線成本僅十幾塊，且具有可定制化尺寸與形狀、可選相對(duì)介電常數(shù)范圍大的優(yōu)點(diǎn)。

該天線主要由印刷偶極子、饋電探針、雙耦合短路貼片共同組成。所用饋電探針半徑[r1]為0.5 mm，特性阻抗為50 Ω。從圖1c）的正等軸測(cè)圖可看出該天線的總體結(jié)構(gòu)由位于介質(zhì)基板上層中心的正方形貼片，以及橢圓圈出部分結(jié)構(gòu)繞[z]軸分別呈90°、180°和270°旋轉(zhuǎn)對(duì)稱得到四組一樣的雙耦合短路貼片結(jié)構(gòu)組成。

利用HFSS仿真軟件建立天線模型，可以看到天線表面的電流強(qiáng)度分布情況。如圖2所示，電流從饋針處出發(fā)，通過(guò)正方形貼片四邊中間伸出的四條臂，在如圖1c）中的C1結(jié)構(gòu)引起耦合電流，再與如圖1c）中的C2結(jié)構(gòu)引起耦合電流，其中當(dāng)電流頻率為L(zhǎng)1頻段時(shí)，C1結(jié)構(gòu)的電流強(qiáng)度明顯最強(qiáng)，C2結(jié)構(gòu)的電流強(qiáng)度與其他部位無(wú)明顯區(qū)別；當(dāng)電流頻率為L(zhǎng)2頻段時(shí)，C1結(jié)構(gòu)與C2結(jié)構(gòu)均有顯著強(qiáng)于其他部位的電流強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，天線的C1結(jié)構(gòu)對(duì)于L1頻段的信號(hào)產(chǎn)生具有決定性影響，C1結(jié)構(gòu)與C2結(jié)構(gòu)共同決定了L2頻段的信號(hào)產(chǎn)生。

在通過(guò)HFSS仿真時(shí)，分別調(diào)整C1結(jié)構(gòu)與C2結(jié)構(gòu)的橫向與縱向尺寸，可以有效調(diào)節(jié)工作頻率的升高和下降，通過(guò)一系列的仿真與參數(shù)優(yōu)化，最終得到最佳的天線尺寸參數(shù)，如表1所示。其中，對(duì)天線的頻率影響最大的是C1結(jié)構(gòu)的Nl6和Ml4的長(zhǎng)度，圖3給出了兩張分別調(diào)整Nl6與Ml4的長(zhǎng)度時(shí)的[S11]曲線，可以看出：當(dāng)Nl6lt;6.5 mm時(shí)，L1與L2的頻段都有向高頻頻偏的趨勢(shì)，且回波損耗也有變差的趨勢(shì)，即參數(shù)Nl6的長(zhǎng)度影響天線兩個(gè)頻段的工作頻率；至于Ml4，從圖3b）中可以看出，該長(zhǎng)度僅影響高頻即L1的頻率偏移，當(dāng)Ml4長(zhǎng)度越大，高頻的偏移就會(huì)越大，而低頻幾乎不受影響。根據(jù)C1與C2結(jié)構(gòu)的這種特性，可以輕松調(diào)節(jié)出最適合的Nl6與Ml4的長(zhǎng)度，以達(dá)到精準(zhǔn)控制雙頻天線工作頻率的目的。

2" 制作與測(cè)量

根據(jù)仿真優(yōu)化的參數(shù)，制作出天線實(shí)物，如圖4所示。為方便實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，本天線使用了一個(gè)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)90°的相位差，相同的饋電通過(guò)移相器實(shí)現(xiàn)了雙探針共饋，從而實(shí)現(xiàn)圓極化性能。

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)該天線的[S]參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖5所示。在L1頻段中，回波損耗（[S11]）小于-10 dB的帶寬為20.7 MHz，在L2頻段中，回波損耗小于-10 dB的帶寬為12.5 MHz，與仿真結(jié)果比較接近，符合該尺寸天線工作頻率對(duì)回波損耗的要求。

在微波暗室利用天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)天線的軸比進(jìn)行測(cè)量，得到如圖6所示的仿真與實(shí)測(cè)的[x?z]平面L1與L2頻段軸比隨[θ]變化的對(duì)比圖。從圖6中可看出，實(shí)測(cè)得到在1.227 GHz和1.575 GHz頻點(diǎn)軸比小于3 dB的帶寬分別為120°和50°，由于天線和地平面的幾何形狀是方形的，在[y?z]平面上測(cè)得的輻射模式與在[x?z]平面上測(cè)得的輻射模式幾乎完全相同，因此不一一列出。由圖6可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果在1.575 GHz頻點(diǎn)時(shí)比仿真結(jié)果稍差，在1.227 GHz頻點(diǎn)時(shí)比仿真結(jié)果更好，主要原因在于C1結(jié)構(gòu)同時(shí)激發(fā)的諧振頻率更多，在實(shí)物微調(diào)時(shí)所作出的影響過(guò)大，很難調(diào)整出最適合的參數(shù)，而僅負(fù)責(zé)激發(fā)1.227 GHz頻點(diǎn)的C2結(jié)構(gòu)則更容易在實(shí)物調(diào)整時(shí)尋找到合適的參數(shù)。

圖7為天線的仿真與實(shí)測(cè)的增益隨頻率變化的曲線對(duì)比圖?？梢钥闯觯瑢?shí)測(cè)的天線增益普遍比仿真的增益低1～2 dB，這是天線制作的正常結(jié)果。圓極化輻射增益在L2和L1頻段分別為3.12 dBic和4.08 dBic，3 dB增益帶寬分別為31 MHz和43 MHz。雙頻雙圓極化天線的方向圖如圖8所示，在低頻1.227 GHz，天線呈現(xiàn)左旋圓極化，在高頻1.575 GHz天線呈現(xiàn)右旋圓極化。

尤其值得注意的是，由于制作工藝與精度的原因，在制作完成后，可根據(jù)實(shí)際的測(cè)試情況適當(dāng)調(diào)整C1結(jié)構(gòu)與C2結(jié)構(gòu)的尺寸，使得天線的性能達(dá)到最優(yōu)。

本文提出的天線與上文中部分參考文獻(xiàn)中天線性能比較如表2所示。通過(guò)對(duì)比可以得出，本文設(shè)計(jì)的天線在尺寸參數(shù)與造價(jià)方面取得了均衡。

3" 結(jié)" 論

本文介紹了一種基于雙耦合短接貼片加載的緊湊雙頻圓極化天線。通過(guò)移相器實(shí)現(xiàn)90°相位差的共饋，從而達(dá)到圓極化性能，又在主輻射方形貼片周圍加載兩組耦合短路接地貼片，實(shí)現(xiàn)了雙頻圓極化的性能。通過(guò)共饋探針相對(duì)位置的變化使得天線的阻抗得以匹配。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該天線能夠較好地實(shí)現(xiàn)雙頻段的圓極化輻射性能。

注：本文通訊作者為林福民。

參考文獻(xiàn)

[1] CHENG Y， DONG Y D. A shared?aperture dual?band high?efficiency antenna based on groove gap waveguide [J]. IEEE antennas and wireless propagation letters， 2022， 21（8）： 1620?1624.

[2] LIU H M， FANG S J， WANG Z B. Novel dual?band antenna for multi?mode GNSS applications [J]. Journal of systems engineering and electronics， 2015， 26（1）： 19?25.

[3] CHATTERJEE A， BANERJEE S， FRNDA J， et al. Planar FSS based dual?band wire monopole antenna for multi?directional radiation with diverse beamwidths [J]. IEEE access， 2022， 10： 30427?30435.

[4] HAKIM M L， ALAM T， BAHARUDDIN M H， et al. Frequency integration of dual?band hexagonal metamaterial resonator antenna for WiFi and 5G wireless communication [J]. Journal of physics： Conference series， 2022， 2250（1）： 012001.

[5] IBRAHIM A S， YACOUB A M， ALOI D N. A 3?dimensional multiband antenna for vehicular 5G sub?6 GHz/GNSS/V2X applications [J]. International journal of antennas and propagation， 2022（1）： 1?13.

[6] KHALIFA M O， YACOUB A M， ALOI D N. A multi?wideband compact antenna design for vehicular sub?6 GHz 5G wireless systems [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2021， 69（12）： 8136?8142.

[7] 王斐.小型化微帶天線的研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2019.

[8] SENDOARIS A， ERKIP E， AAZHANG B. Increasing uplink capacity via user cooperation diversity [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory （ISIT）. New York： IEEE， 1998： 156.

[9] LANEMAN J N， WORNELL G W， TSE D N C. An efficient protocol for realizing cooperative diversity in wireless networks [C]// Proceedings of IEEE International Symposium on Information Theory （ISIT）. New York： IEEE， 2001： 294?308.

[10] SENDOARIS A， ERKIP E， AAZHANG B. User cooperation diversity — part Ι： System description [J]. IEEE transactions on communications， 2003， 51（11）： 1927?1938.

[11] SUN C， ZHENG H L， LIU Y. Compact dual?band circularly polarised GNSS antenna [J]. Electronics letters， 2015， 51（20）： 1559?1560.

[12] SUN C， ZHENG H L， LIU Y. Analysis and design of a low?cost dual?band compact circularly polarized antenna for GPS application [J]. IEEE transactions on antennas and propagation， 2015， 64（1）： 365?370.

[13] 王敬杰，袁家德.側(cè)面加載金屬帶的寬頻帶衛(wèi)星導(dǎo)航天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2023，38（2）：292?297.