小型化北斗導(dǎo)航圓極化天線研究

于家傲+姜永金+李有權(quán)+鞠志忠

摘 要： 結(jié)合多種貼片開(kāi)槽方案，采用正交饋電圓極化激勵(lì)方式，實(shí)現(xiàn)了一款北斗B3（1 268.52±10） MHz頻點(diǎn)導(dǎo)航天線的小型化設(shè)計(jì)。通過(guò)電磁仿真軟件HFSS對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真分析，數(shù)值結(jié)果表明：小型化天線在B3處的頂空增益為3.69 dB，低仰角增益≥-1.5 dB（≤±70°），反射損耗小于-10 dB的帶寬為20 MHz，帶內(nèi)軸比≤2 dB。該小型化天線貼片尺寸相比同介電常數(shù)基板的同頻點(diǎn)未開(kāi)槽天線縮小72.8%，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 微帶天線； 圓極化； 小型化； 開(kāi)槽

中圖分類號(hào)： TN821+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）07?0079?03

Research on circularly polarization microstrip antenna for miniaturized

Beidou navigation system

YU Jia?ao， JIANG Yong?jin， LI You?quan， JU Zhi?zhong

（Air Force Early Warning Academy， Wuhan 430019， China）

Abstract：Combining with the variety of slotting plans， a miniaturized designed of frequency point navigation antenna of Beidou?B3 frequency （1 268.52±10 MHz） with the incentive method of circular polarization orthogonal feedback is realized. The structure parameter is simulated and analyzed through HFSS， the numerical result shows that the peak gain value at B3 is 3.69 dB， low elevation gain （±70°）≥-1.5 dB. The bandwidth is 20 MHz when the return loss is less than -10 dB， and the axial ratio value≤2 dB. The proposed antenna?size reduced by about 72.8% as compared to the no slot antenna with the same frequency point of the same dielectric constant substrate and at a given operating frequency， it has a certain application prospect.

Keywords： microstrip antenna； circularly polarization （CP）； miniaturized； slot

0 引 言

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（COMPASS Navigation Satellite System，CNSS）是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。隨著“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步應(yīng)用，導(dǎo)航終端日益趨向便攜：輕、薄、短、小，這對(duì)導(dǎo)航終端天線提出了更高的要求，因此，研制應(yīng)用于“北斗”衛(wèi)星定位接收機(jī)的小型化、高性能的微帶天線也就得到了越來(lái)越廣泛的重視[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于北斗天線的工作頻率較低，其天線尺寸較大，不便于安裝和攜帶，因而北斗圓極化天線的小型化問(wèn)題也就成了該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

目前，微帶天線小型化的實(shí)現(xiàn)方法主要有：采用特殊介質(zhì)基片、加載短路探針、貼片表面開(kāi)槽、附加有源網(wǎng)絡(luò)、采用特殊微帶貼片形式等[2?3]。最常用的一種方法是采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片來(lái)減小微帶天線尺寸，但這種方法的主要缺陷是：天線激勵(lì)出較強(qiáng)的表面波，表面損耗較大，使增益減??；效率降低；帶寬窄。為提高增益，常在天線表面覆蓋高介電常數(shù)介質(zhì)，但這樣又增加了天線的厚度。

文獻(xiàn)[4?5]采用貼片表面開(kāi)槽形式分別實(shí)現(xiàn)了兩款小型化天線，設(shè)計(jì)天線同傳統(tǒng)天線相比，天線尺寸分別下降了36%、50%。本文采用米字型開(kāi)槽方案，設(shè)計(jì)了一款小型化北斗導(dǎo)航天線，并利用HFSS仿真軟件對(duì)不同開(kāi)槽方案進(jìn)行了分析比較。仿真結(jié)果表明，米字型開(kāi)槽天線與相同基板的未開(kāi)槽天線相比，尺寸縮減72.8%，天線帶寬、增益、軸比等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。進(jìn)一步對(duì)米字型開(kāi)槽天線與傳統(tǒng)高介電常數(shù)的小型化天線進(jìn)行比較分析，仿真結(jié)果表明，采用低介電常數(shù)基板的開(kāi)槽天線可以有效降低天線生產(chǎn)過(guò)程中制造公差對(duì)天線性能帶來(lái)的影響，從而提高天線生產(chǎn)的一致性。

1 天線結(jié)構(gòu)及理論分析

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，貼片以虛線所示正方形為基礎(chǔ)，在四個(gè)邊突出寬為[La，]長(zhǎng)為[Wa]的矩形枝節(jié)，其中正方形邊長(zhǎng)[La=]20.4 mm，枝節(jié)長(zhǎng)[Wa=]6 mm。在貼片中進(jìn)行米字型開(kāi)槽，縫隙寬[Wg=]1 mm，縫隙長(zhǎng)度分別為[Lx=]12 mm，[Ls=]13.3 mm?；逑鄬?duì)介電常數(shù)[εr=9，]尺寸為35 mm×35 mm×8 mm，貼片銅箔厚0.018 mm，在基板四個(gè)角位置用螺釘固定，螺釘直徑[Ra=]2.3 mm，螺釘中心位置距邊緣[a=]2.5 mm。饋電點(diǎn)距中心距離[d=]2 mm，采用正交饋電激勵(lì)圓極化[6]。

圖1 天線結(jié)構(gòu)

通過(guò)微帶天線諧振頻率公式：

[f?c2Leεr]

式中：[Le]為電流路徑有效長(zhǎng)度；c為光速[7]。

由上式可知，貼片上電流路徑的有效長(zhǎng)度的增加會(huì)使天線的諧振頻率下降，而對(duì)于固定頻率的天線減小天線尺寸可以達(dá)到天線小型化的目的。通過(guò)對(duì)貼片開(kāi)槽、彎折路徑，形成圖1所示的結(jié)構(gòu)，該開(kāi)槽阻擋了矩形貼片上的電流，從而改變了其電流分布，如圖2所示。從同軸線饋送到輻射貼片的電流由于受到彎折縫隙的阻擋，可以認(rèn)為在縫隙所圍區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)假想的更大尺寸的輻射貼片，所以可以通過(guò)改變彎折縫隙的尺寸大小來(lái)改變其頻率特性[8]。

2 HFSS仿真結(jié)果與分析

2.1 與相同介電常數(shù)的天線比較

采用相同介電常數(shù)基板對(duì)表面未開(kāi)槽天線進(jìn)行仿真，如圖2（a）所示，當(dāng)諧振頻率為1.268 GHz時(shí)，其貼片面積為1 322.89 mm2；若采用表面開(kāi)槽天線時(shí)，其貼片面積為765.5 mm2，兩者相比，表面開(kāi)槽方案比未開(kāi)槽方案，貼片面積縮小72.8%。緊接著，對(duì)采用相同介電常數(shù)的基板的不同開(kāi)槽方案進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果如圖3所示，性能比較見(jiàn)表1。

圖2 天線面電流比較

圖3 不同開(kāi)槽方案分析

由分析結(jié)果可知，通過(guò)在天線表面增加開(kāi)槽路徑，可以使得天線諧振頻點(diǎn)不斷下降，但隨著開(kāi)槽路徑的增加，其頂峰增益略有降低；米字型開(kāi)槽方案同未開(kāi)槽方案相比，增益下降0.5 dB；天線表面開(kāi)槽后帶寬略有變窄，米字型開(kāi)槽方案與未開(kāi)槽方案對(duì)比，帶寬減小了5 MHz；由于天線的電流分布被打亂，天線軸比稍變差，如圖3（b）所示，頂峰軸比在帶內(nèi)總體小于2 dB，低仰角軸比（70°）在帶內(nèi)總體小于7.5 dB。

2.2 與高介電常數(shù)天線比較

針對(duì)北斗B3頻點(diǎn)，在貼片尺寸相同的情況下，開(kāi)槽天線采用了介電常數(shù)[εr=9]的基板，而未開(kāi)槽天線需采用[εr=13.5]的基板，兩者增益比較如圖4（a）所示，米字型開(kāi)槽天線和未開(kāi)槽天線增益同比下降約0.2 dB。在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種天線方案的枝節(jié)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)兩種天線的枝節(jié)長(zhǎng)度[Ra]分別縮短1 mm時(shí)，仿真結(jié)果如圖4（b）所示，介電常數(shù)[εr=13.5]的天線，其諧振頻點(diǎn)向高頻漂移了24 MHz，而[εr=9]的天線諧振頻點(diǎn)向高頻偏移了10 MHz。由此可見(jiàn)，采用低介電常數(shù)作為基板可以改善制造公差對(duì)天線在制造中的影響，降低工程誤差對(duì)天線的敏感度，進(jìn)而提高天線一致性。

圖4 對(duì)不同介電常數(shù)基板分析

3 結(jié) 論

本文采用天線表面米字型開(kāi)槽方案設(shè)計(jì)了一款北斗B3頻點(diǎn)的小型圓極化天線，該方案可以有效地降低天線尺寸，并保持頂峰增益和低仰角增益基本不變。雖然表面開(kāi)槽會(huì)導(dǎo)致帶寬變窄、軸比變差，但可以滿足該天線所提指標(biāo)要求。同時(shí)，該方案在滿足天線小尺寸要求的同時(shí)，降低了天線所采用基板的相對(duì)介電常數(shù)，可以改善制造中天線制造公差對(duì)天線一致性的影響。為天線組陣，改善由高介電常數(shù)帶來(lái)的表面波效應(yīng)，提供了思路。未來(lái)將從改善天線[Q]值、使用四饋電點(diǎn)饋電的方式進(jìn)一步提高表面開(kāi)槽小型化天線的帶寬、軸比等性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚述森.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J].宇航學(xué)報(bào)，2008，29（2）：391?396.

[2] 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線小型化技術(shù)[J].電子技術(shù)，2002，3 （3）：190?192.

[3] WONG K L. Compact and Broadband Microstrip Antennas [M]. USA： John Wiley & Sons inc， 2002.

[4] CHEN W S， WU C K， WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagate， 2001， 49（3）： 340?342.

[5] ROW G S， YEH S H， WONG K L. Compact dual?polarized microstrip antennas [J]. Microwave Optical Technology Letters， 2000， 27（4）： 284?287.

[6] 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：331?336.

[7] 全巍，延波，王金洪，等.基于LTCC技術(shù)的微帶縫隙E型貼片天線研究[J].微波學(xué)報(bào)，2010（8）：116?118.

[8] 柳青.小型化寬帶化微帶天線[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[f?c2Leεr]

式中：[Le]為電流路徑有效長(zhǎng)度；c為光速[7]。

由上式可知，貼片上電流路徑的有效長(zhǎng)度的增加會(huì)使天線的諧振頻率下降，而對(duì)于固定頻率的天線減小天線尺寸可以達(dá)到天線小型化的目的。通過(guò)對(duì)貼片開(kāi)槽、彎折路徑，形成圖1所示的結(jié)構(gòu)，該開(kāi)槽阻擋了矩形貼片上的電流，從而改變了其電流分布，如圖2所示。從同軸線饋送到輻射貼片的電流由于受到彎折縫隙的阻擋，可以認(rèn)為在縫隙所圍區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)假想的更大尺寸的輻射貼片，所以可以通過(guò)改變彎折縫隙的尺寸大小來(lái)改變其頻率特性[8]。

2 HFSS仿真結(jié)果與分析

2.1 與相同介電常數(shù)的天線比較

采用相同介電常數(shù)基板對(duì)表面未開(kāi)槽天線進(jìn)行仿真，如圖2（a）所示，當(dāng)諧振頻率為1.268 GHz時(shí)，其貼片面積為1 322.89 mm2；若采用表面開(kāi)槽天線時(shí)，其貼片面積為765.5 mm2，兩者相比，表面開(kāi)槽方案比未開(kāi)槽方案，貼片面積縮小72.8%。緊接著，對(duì)采用相同介電常數(shù)的基板的不同開(kāi)槽方案進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果如圖3所示，性能比較見(jiàn)表1。

圖2 天線面電流比較

圖3 不同開(kāi)槽方案分析

由分析結(jié)果可知，通過(guò)在天線表面增加開(kāi)槽路徑，可以使得天線諧振頻點(diǎn)不斷下降，但隨著開(kāi)槽路徑的增加，其頂峰增益略有降低；米字型開(kāi)槽方案同未開(kāi)槽方案相比，增益下降0.5 dB；天線表面開(kāi)槽后帶寬略有變窄，米字型開(kāi)槽方案與未開(kāi)槽方案對(duì)比，帶寬減小了5 MHz；由于天線的電流分布被打亂，天線軸比稍變差，如圖3（b）所示，頂峰軸比在帶內(nèi)總體小于2 dB，低仰角軸比（70°）在帶內(nèi)總體小于7.5 dB。

2.2 與高介電常數(shù)天線比較

針對(duì)北斗B3頻點(diǎn)，在貼片尺寸相同的情況下，開(kāi)槽天線采用了介電常數(shù)[εr=9]的基板，而未開(kāi)槽天線需采用[εr=13.5]的基板，兩者增益比較如圖4（a）所示，米字型開(kāi)槽天線和未開(kāi)槽天線增益同比下降約0.2 dB。在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種天線方案的枝節(jié)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)兩種天線的枝節(jié)長(zhǎng)度[Ra]分別縮短1 mm時(shí)，仿真結(jié)果如圖4（b）所示，介電常數(shù)[εr=13.5]的天線，其諧振頻點(diǎn)向高頻漂移了24 MHz，而[εr=9]的天線諧振頻點(diǎn)向高頻偏移了10 MHz。由此可見(jiàn)，采用低介電常數(shù)作為基板可以改善制造公差對(duì)天線在制造中的影響，降低工程誤差對(duì)天線的敏感度，進(jìn)而提高天線一致性。

圖4 對(duì)不同介電常數(shù)基板分析

3 結(jié) 論

本文采用天線表面米字型開(kāi)槽方案設(shè)計(jì)了一款北斗B3頻點(diǎn)的小型圓極化天線，該方案可以有效地降低天線尺寸，并保持頂峰增益和低仰角增益基本不變。雖然表面開(kāi)槽會(huì)導(dǎo)致帶寬變窄、軸比變差，但可以滿足該天線所提指標(biāo)要求。同時(shí)，該方案在滿足天線小尺寸要求的同時(shí)，降低了天線所采用基板的相對(duì)介電常數(shù)，可以改善制造中天線制造公差對(duì)天線一致性的影響。為天線組陣，改善由高介電常數(shù)帶來(lái)的表面波效應(yīng)，提供了思路。未來(lái)將從改善天線[Q]值、使用四饋電點(diǎn)饋電的方式進(jìn)一步提高表面開(kāi)槽小型化天線的帶寬、軸比等性能。

參考文獻(xiàn)

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[6] 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：331?336.

[7] 全巍，延波，王金洪，等.基于LTCC技術(shù)的微帶縫隙E型貼片天線研究[J].微波學(xué)報(bào)，2010（8）：116?118.

[8] 柳青.小型化寬帶化微帶天線[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.

[f?c2Leεr]

式中：[Le]為電流路徑有效長(zhǎng)度；c為光速[7]。

由上式可知，貼片上電流路徑的有效長(zhǎng)度的增加會(huì)使天線的諧振頻率下降，而對(duì)于固定頻率的天線減小天線尺寸可以達(dá)到天線小型化的目的。通過(guò)對(duì)貼片開(kāi)槽、彎折路徑，形成圖1所示的結(jié)構(gòu)，該開(kāi)槽阻擋了矩形貼片上的電流，從而改變了其電流分布，如圖2所示。從同軸線饋送到輻射貼片的電流由于受到彎折縫隙的阻擋，可以認(rèn)為在縫隙所圍區(qū)域產(chǎn)生了一個(gè)假想的更大尺寸的輻射貼片，所以可以通過(guò)改變彎折縫隙的尺寸大小來(lái)改變其頻率特性[8]。

2 HFSS仿真結(jié)果與分析

2.1 與相同介電常數(shù)的天線比較

采用相同介電常數(shù)基板對(duì)表面未開(kāi)槽天線進(jìn)行仿真，如圖2（a）所示，當(dāng)諧振頻率為1.268 GHz時(shí)，其貼片面積為1 322.89 mm2；若采用表面開(kāi)槽天線時(shí)，其貼片面積為765.5 mm2，兩者相比，表面開(kāi)槽方案比未開(kāi)槽方案，貼片面積縮小72.8%。緊接著，對(duì)采用相同介電常數(shù)的基板的不同開(kāi)槽方案進(jìn)行了仿真比較，仿真結(jié)果如圖3所示，性能比較見(jiàn)表1。

圖2 天線面電流比較

圖3 不同開(kāi)槽方案分析

由分析結(jié)果可知，通過(guò)在天線表面增加開(kāi)槽路徑，可以使得天線諧振頻點(diǎn)不斷下降，但隨著開(kāi)槽路徑的增加，其頂峰增益略有降低；米字型開(kāi)槽方案同未開(kāi)槽方案相比，增益下降0.5 dB；天線表面開(kāi)槽后帶寬略有變窄，米字型開(kāi)槽方案與未開(kāi)槽方案對(duì)比，帶寬減小了5 MHz；由于天線的電流分布被打亂，天線軸比稍變差，如圖3（b）所示，頂峰軸比在帶內(nèi)總體小于2 dB，低仰角軸比（70°）在帶內(nèi)總體小于7.5 dB。

2.2 與高介電常數(shù)天線比較

針對(duì)北斗B3頻點(diǎn)，在貼片尺寸相同的情況下，開(kāi)槽天線采用了介電常數(shù)[εr=9]的基板，而未開(kāi)槽天線需采用[εr=13.5]的基板，兩者增益比較如圖4（a）所示，米字型開(kāi)槽天線和未開(kāi)槽天線增益同比下降約0.2 dB。在此基礎(chǔ)上，對(duì)兩種天線方案的枝節(jié)長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)兩種天線的枝節(jié)長(zhǎng)度[Ra]分別縮短1 mm時(shí)，仿真結(jié)果如圖4（b）所示，介電常數(shù)[εr=13.5]的天線，其諧振頻點(diǎn)向高頻漂移了24 MHz，而[εr=9]的天線諧振頻點(diǎn)向高頻偏移了10 MHz。由此可見(jiàn)，采用低介電常數(shù)作為基板可以改善制造公差對(duì)天線在制造中的影響，降低工程誤差對(duì)天線的敏感度，進(jìn)而提高天線一致性。

圖4 對(duì)不同介電常數(shù)基板分析

3 結(jié) 論

本文采用天線表面米字型開(kāi)槽方案設(shè)計(jì)了一款北斗B3頻點(diǎn)的小型圓極化天線，該方案可以有效地降低天線尺寸，并保持頂峰增益和低仰角增益基本不變。雖然表面開(kāi)槽會(huì)導(dǎo)致帶寬變窄、軸比變差，但可以滿足該天線所提指標(biāo)要求。同時(shí)，該方案在滿足天線小尺寸要求的同時(shí)，降低了天線所采用基板的相對(duì)介電常數(shù)，可以改善制造中天線制造公差對(duì)天線一致性的影響。為天線組陣，改善由高介電常數(shù)帶來(lái)的表面波效應(yīng)，提供了思路。未來(lái)將從改善天線[Q]值、使用四饋電點(diǎn)饋電的方式進(jìn)一步提高表面開(kāi)槽小型化天線的帶寬、軸比等性能。

參考文獻(xiàn)

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[6] 薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：331?336.

[7] 全巍，延波，王金洪，等.基于LTCC技術(shù)的微帶縫隙E型貼片天線研究[J].微波學(xué)報(bào)，2010（8）：116?118.

[8] 柳青.小型化寬帶化微帶天線[D].成都：電子科技大學(xué)，2008.