緊湊五-五單元天線陣設(shè)計(jì)

王匯龍,徐瀾飛,劉運(yùn)林

(1.西南交通大學(xué)電磁所,成都 610031;2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

緊湊五-五單元天線陣設(shè)計(jì)

王匯龍1,徐瀾飛2,劉運(yùn)林1

(1.西南交通大學(xué)電磁所,成都 610031;2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

設(shè)計(jì)了一個(gè)五-五單元微帶貼片天線,中心層疊天線單元結(jié)合矩形貼片表面電流分布原理,由獨(dú)立饋電實(shí)現(xiàn)工作。分析了天線的駐波比、軸比、增益、天線單元間的隔離度,以及天線兩個(gè)工作頻段之間的隔離。實(shí)現(xiàn)了BD(B3)(“北斗”導(dǎo)航系統(tǒng)B3頻段)和GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))兩個(gè)導(dǎo)航定位頻率的組合。不同頻段天線單元復(fù)合布局,減小了天線的總體尺寸,能夠應(yīng)用于小型多功能接收機(jī)中。

導(dǎo)航接收機(jī);微帶貼片天線;雙層貼片;圓極化

1 引 言

隨著美國(guó)GPS系統(tǒng)在軍事、民用方面的廣泛應(yīng)用,衛(wèi)星導(dǎo)航與定位得到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注,在要求具有可靠接收性能的同時(shí)需不斷減小整個(gè)接收設(shè)備的尺寸。微帶天線是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種體積小、重量輕、易于實(shí)現(xiàn)圓極化、可與飛行物等載體共形、易于加工制造等優(yōu)點(diǎn)的新型式天線。微帶天線陣由于具有微帶天線的諸多優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越多地被應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。現(xiàn)在,全球有多個(gè)導(dǎo)航定位系統(tǒng),如美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的伽利略以及我國(guó)自主研發(fā)的“北斗”系統(tǒng),各種導(dǎo)航定位設(shè)備之間的兼容性成為突出的問(wèn)題。接收機(jī)的兼容首先就要求天線部分的兼容,解決方案主要有兩種,一是寬頻帶天線,二是多頻帶天線。就寬頻帶設(shè)計(jì)而言,各國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻率不一致,有的甚至相差很遠(yuǎn),考慮到若采用微帶天線來(lái)實(shí)現(xiàn),由于微帶天線自身阻抗帶寬和軸比帶寬較窄,不太可行。相比之下,多頻帶微帶天線設(shè)計(jì)也就受到了人們的青睞。在文獻(xiàn)[1]中,Shun-Lai Ma和Jeen-Sheen Row采用層疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的GPS、WLAN單饋雙頻貼片天線,該天線上層貼片為矩形,下層貼片為切角的方環(huán)。X.L.Bao和M.J.Ammann設(shè)計(jì)了圓心共點(diǎn)圓極化的單層圓環(huán)形雙頻貼片天線[2],以及具有寬波束的雙頻雙圓極化帶孔圓形貼片天線[3],波束寬度達(dá)到180°。M.Elsdon等人采用具有嵌入式微帶線饋電實(shí)現(xiàn)的雙頻圓極化貼片天線[4],能實(shí)現(xiàn)L頻段1.03～1.2的頻率比。Shang-Cheng Pan和Wen-Hsiu Hsu提出由同一平面上兩貼片實(shí)現(xiàn)的雙頻貼片天線[5],天線饋電由同軸探針轉(zhuǎn)微帶線,然后微帶線兩端分別嵌入到貼片來(lái)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)上述文獻(xiàn)中提及的設(shè)計(jì)雙頻微帶天線的不同方法,根據(jù)GNSS系統(tǒng)和我國(guó)自主的衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作頻段以及需求,結(jié)合矩形貼片上表面電流分布原理,中心單元采用頂層貼片饋電探針穿過(guò)底層貼片的中心位置的方法,本文設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)五-五單元雙頻圓極化微帶天線。天線實(shí)現(xiàn)雙頻圓極化的同時(shí)合理有效利用整個(gè)空間,適合應(yīng)用于小型多功能接收機(jī)中。

2 天線設(shè)計(jì)

微帶天線應(yīng)用于導(dǎo)航接收機(jī)時(shí),為了實(shí)現(xiàn)天線方向圖在水平面空間全向均勻覆蓋,天線單元呈圓形分布。圖1為天線單元分布,天線整體尺寸為190 mm×190 mm×7.5 mm。天線設(shè)計(jì)為可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙頻工作,在同一個(gè)接地板上均勻分布兩個(gè)5-5單元,為了便于布局,中間重疊放置不同頻段的兩個(gè)單元,都呈現(xiàn)為圓形分布。其中,排列在基板四角的單元工作于較低頻段,即BD(B3)(“北斗”系統(tǒng)B3頻段)頻段;較小的單元工作于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))頻段。

圖1 天線陣結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the array

微帶陣列天線介質(zhì)采用同一種基板和厚度,這便于加工和安裝。基板用Rogers材料,相對(duì)介電常數(shù)為6.15。線陣面共由10個(gè)單元組成,其中GNSS單元5個(gè),BD單元5個(gè)。天線單元尺寸由下式給出:

式中,c為光在真空中的傳播速度;L為微帶矩形貼片的實(shí)際長(zhǎng)度;Δl是由邊緣效應(yīng)引起的電納可用BD單元邊長(zhǎng)為45.8 mm,GNSS單元邊長(zhǎng)為36 mm中延伸長(zhǎng)度;εr為基板相對(duì)介電常數(shù)。經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化,中間兩個(gè)單元重疊放置在一起,GNSS單元位于頂層,BD單元置于底層,而饋電仍然是分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。中間GNSS單元的饋電是由穿過(guò)底層基板和BD輻射陣元的同軸探針實(shí)現(xiàn),如圖2所示。

圖2 中間重疊單元饋電結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Fed structure of the center element

為了對(duì)BD單元工作不造成干擾,過(guò)孔盡量置于BD單元中間(由微帶貼片陣元上表面電流分布知:貼片中心處電流基本為零,如圖3所示)。各天線單元分別通過(guò)切角來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航通信天線圓極化的需求,四周貼片單元相對(duì)于中心單元依次旋轉(zhuǎn)90°。GNSS單元間距為0.37λ,BD單元間距為0.38λ,為了控制單元間互耦,單元間距一般取為0.5λ左右。

圖3 天線表面電流分布Fig.3 Current distribution of the antenna surface

3 仿真分析

圖4為天線各單元VSWR。圖4結(jié)果表明,各單元VSWR滿足BD(1 268±10 MHz)和GNSS(1 590±20MHz)頻段的衛(wèi)星導(dǎo)航通信所需頻率帶寬,頻帶內(nèi)各單元VSWR均呈現(xiàn)出雙諧振特性,這也是單饋實(shí)現(xiàn)圓極化的駐波曲線特征。BD頻段帶寬從1 255～1 280MHz均滿足駐波比小于2。GNSS頻段駐波比小于2的帶寬達(dá)到了50MHz。GNSS頻段處阻抗帶寬較寬。

圖4 天線單元VSWRFig.4 VSWR of the element

圖5為天線單元軸比。圖5表明,BD單元天線由于間距較緊密,天線間存在較強(qiáng)互耦,耦合影響天線軸比。BD單元法向AR約為5 dB,GNSS單元AR約為0 dB。圖6(a)為BD單元增益,其右旋圓極化增益為4.12 dB,由于單元間存在互耦的影響,其交叉極化并不是很理想,這也在一定程度上影響了天線單元增益。圖6(b)為GNSS單元增益,增益達(dá)到5.45 dB,其互耦相對(duì)BD單元要小一些,交叉極化也較低。圖7為天線單元間互耦曲線,其中(a)為BD單元間互耦,均為-15 dB左右,有些單元之間的互耦差一些,約為-12 dB。圖7(b)為GNSS單元間互耦,最差為-15 dB左右。圖7(c)為BD中心單元與GNSS單元的隔離度,數(shù)值在-22 dB以下,可知該天線雙頻工作時(shí)單元間互耦較小,能夠?qū)崿F(xiàn)有效的隔離。

圖5 天線單元軸比Fig.5 AR of the element

圖6 天線單元增益Fig.6Gain of the element

圖7 天線單元間互耦Fig.7 Mutual coupling between antenna elements

4 結(jié) 論

針對(duì)微帶天線在衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)中的應(yīng)用,設(shè)計(jì)了一個(gè)涵蓋BD(B3)頻段和GNSS頻段的五-五單元雙頻天線。根據(jù)矩形貼片表面電流分布原理,天線中心層疊單元頂層貼片饋電探針從底層貼片中央穿過(guò),減小了兩天線單元間的相互影響。天線整體尺寸為190 mm×190 mm×7.5 mm。BD(B3)和GNSS頻段VSWR小于2的阻抗帶寬分別為35 MHz和50 MHz,同時(shí)也給出了天線單元軸比和增益。BD(B3)單元間隔離度最小為12 dB,GNSS單元間最小為15 dB。該天線結(jié)構(gòu)緊湊,可應(yīng)用于小型多功能衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)。然而,天線單元間隔離度對(duì)于工程應(yīng)用并不理想,減小單元間互耦的方法主要有電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)、缺地陷(DGS)等結(jié)構(gòu),將在后續(xù)工作中進(jìn)行相關(guān)方面的研究。

[1]Ma S L,Row J L.Designof Single-Feed Dual-Frequency Patch Antenna for GPS and WLAN Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,52(9):3433-3436.

[2]Bao X L,AmmannM J.Dual-Frequency Circularly Polarized Patch Antenna with Compact Size and Small Frequency Ratio[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2007,55(7):2104-2107.

[3]Bao X L,Ammann M J.Dual-frequency dual circularlypolarisedpatch antenna withwide beamwidth[J].IEEE Electronics Letters,2008,44(21):1233-1234.

[4]Elsdon M,Sambell A,Gao S C.Inset Microstrip-line Fed Dual Frequency Microstrip Patch Antenna[C]//Proceedings of 2003 International Conference on Antennas and Propagation.Exeter,UK:IEEE,2003:28-30.

[5]Pan S C,Hsu W H.Single-feed Dual-frequency MIicrostrip Antenna withTwo Patches[C]//Proceedingsof Antennas and Propagation Society International Symposium.Orlando,FL:IEEE,1999:1644-1647.

WANG Hui-long was born in Kunming,Yunnan Province,in 1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design,microstrip antenna.

Email:whlooj@163.com

徐瀾飛(1976—),男,四川鄰水人,2000年于哈爾濱工程大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為西南電子技術(shù)研究所射頻工程師,主要從事微波技術(shù)和陣列天線技術(shù)的研究;

XU Lan-fei was born in Linshui,Sichuan Province,in 1976.He received the B.S.degree from Harbin Engineering University in 2000.He is now an engineer.His research concerns microwave technology and array technology.

Email:xulanfei@sohu.com

劉運(yùn)林(1965—),男,四川人,1997年于西南交通大學(xué)獲博士學(xué)位,現(xiàn)為教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)、計(jì)算電磁學(xué)。

LIU Yun-linwas born in Sichuan Province,in 1965.He received the Ph.D.degree fromSouthwest Jiaotong University in1997.He isnow a professor and also the Ph.D.supervisor.Hisresearch concerns antenna theory and design,computational electromagnetics.

Email:yunlinliu@home.swjtu.edu.cn

Design of Compact Five-five Elements Array

WANG Hui-long1,XU Lan-fei2,LIU Yun-lin1
(1.Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Southwest Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

A five-five elements microstrip patch antenna is proposed in this paper.The centrally-stacked antenna elements are implemented by independent feeding,which is based on the surface current distribution of rectangular patch.The VSWR,AR andGain of the antenna are analysed,isolation between the antenna elements and isolation between the two frequency bands are discussed.BD(B3)(Beidou system B3 band)and GNSS(Global Navigation Satellite System)bands are achieved simultaneously.By composite layout,the antenna is small in size and can be used in multifunctional receivers.

navigation receiver;microstrip patch antenna;dual-patch;circular polarization;small receiver

TN823

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.024

1001-893X(2012)06-0952-04

2011-11-14;

2012-04-06

王匯龍(1986—),男,云南昆明人,2009年于西南交通大學(xué)獲電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)、微帶天線;