一種右旋圓極化微 帶天線的設(shè)計

劉永鑫，胡永輝，侯雷

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一種右旋圓極化微 帶天線的設(shè)計

劉永鑫1,2,3，胡永輝1,2，侯雷1,2

（1. 中國科學院國家授時中心，西安 710600；2.中國科學院精密導航定位與定時技術(shù)重點實驗室，西安 710600；3. 中國科學院大學，北京 100049）

在傳統(tǒng)圓形微帶天線的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的右旋圓極化微帶貼片天線?；谇荒＠碚?，采用在傳統(tǒng)的圓形貼片天線上開槽和單一饋電點的方法，設(shè)計仿真天線的優(yōu)化模型。優(yōu)化結(jié)果顯示橢圓極化軸比<3dB，實現(xiàn)了天線的圓極化。已根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果由PCB制板制作出圓極化天線樣品。在北斗B1（1561MHz）頻點上，把樣品接入北斗授時型接收機系統(tǒng)進行對比測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。仿真結(jié)果及測試結(jié)果均說明該方案是可行的。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)；右旋圓極化；微帶天線；衛(wèi)星導航

0 引言

近年來隨著我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日趨完善，微帶天線以其重量輕、尺寸靈活、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、易共形和低剖面等特點已在空間技術(shù)、藍牙及其他便攜式設(shè)備、醫(yī)用微波探頭和定位導航領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，相較普通微帶天線頻帶較窄、極化損耗大、受雨霧干擾大的缺點，圓極化微帶天線在繼承普通微帶天線優(yōu)點的基礎(chǔ)上具備如下優(yōu)點：1）可接收任意極化的電磁波，因而能夠普遍應(yīng)用于電子偵察和干擾中；2）利用其旋向正交性，使其在分集技術(shù)和電子對抗中得到了廣泛使用；3）由于圓極化電磁波可以入射對稱目標，因此在移動通信和GPS領(lǐng)域應(yīng)用它能夠抑制雨霧干擾和抵抗多徑反射[1]。并且，由于我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)內(nèi)所有衛(wèi)星發(fā)射信號都是右旋圓極化電磁波，所以研究右旋圓極化微帶天線具有重要意義[2]。

鑒于此，本文在圓形微帶天線的基礎(chǔ)上研究設(shè)計了一種右旋圓極化微帶天線。使用表面開槽的方法，分離出2個幅度相等、相位相差90°的簡并模，基于腔模理論，用幾何微擾的方法計算出開槽的尺寸，使分離出的2個正交簡并模實現(xiàn)右旋圓極化。

1 圓極化微帶天線的設(shè)計與實現(xiàn)

目前圓極化微帶天線主要由諧振式和行波式來實現(xiàn)[3]。諧振式可分為單饋法、多饋法和多元法。由于單饋法具有結(jié)構(gòu)簡單、無需外加相移網(wǎng)絡(luò)和功分器等優(yōu)點，因此本文采用單點同軸饋電，基于腔模理論，通過在圓形微帶天線上引入幾何微擾，利用簡并模分離元產(chǎn)生2個輻射正交極化的簡并模，從而實現(xiàn)右旋圓極化[3]。該天線的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其設(shè)計與實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計與實現(xiàn)流程圖

參數(shù)計算模塊中，通過腔模理論計算出圓形微帶天線貼片的半徑、饋電點距離天線幾何中心的距離，通過幾何微擾法粗略計算出簡并分離單元面積等參數(shù)。

仿真優(yōu)化模塊中，使用三維電磁仿真軟件HFSS建模仿真，獲得回波損耗（1，1）圖、阻抗匹配史密斯圓圖（Smith Chart）和橢圓極化軸比圖。回波損耗（1，1）可以作為微帶天線頻點的依據(jù)，史密斯圓圖可以作為天線阻抗匹配的依據(jù)，橢圓極化軸比圖可以作為天線右旋圓極化的判斷的依據(jù)。根據(jù)仿真結(jié)果，通過HFSS軟件中Optimetrics工具對指定參數(shù)進行分析優(yōu)化。

最后根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，通過PCB制版制作天線樣品后對樣品進行實效測試。

1.1 圓形微帶天線的參數(shù)計算

1.1.1 圓形貼片半徑求解

1.1.2 饋點距離天線幾何中心的距離的求解

粗略計算天線的諧振電阻以確定天線的饋電點距離天線幾何中心距離的大概位置。記′為饋電點距離天線幾何中心距離，在饋電點的輸入電阻為[8]

綜上所述，選取介質(zhì)PMMA的高度=6 mm，根據(jù)介質(zhì)本身的特性其損耗正切角tan= 0.001，由于天線下一級的射頻電路絕大多數(shù)的輸入阻抗為50Ω，且射頻連接線及接插件的特性阻抗也均為50Ω，故為便于與下一級電路的阻抗匹配，本文所設(shè)計的天線在饋電點的輸入阻抗應(yīng)為50Ω，于是由上述公式確定饋電點的大概位置為′ =11.3 mm。

1.1.3 簡并分離單元尺寸求解

天線圓極化一般是分離出2個幅度相等，相位相差90°的簡并模來實現(xiàn)，對于單點饋電的天線實現(xiàn)圓極化的方法也有很多種，例如細微改變天線形狀（切角，近似方、圓形等），表面開槽，外加相移網(wǎng)絡(luò)等[9]。

圖3 表面開槽示意圖

1.2 圓形微帶天線的仿真優(yōu)化

1.2.1 回波損耗(1,1)的優(yōu)化結(jié)果

圖4（1，1）仿真結(jié)果

1.2.2 歸一化阻抗仿真優(yōu)化結(jié)果

圖5為饋電位置為11.3mm時的史密斯圓圖，圖5顯示在1.55GHz時的歸一化阻抗為=1.1061-0.1561，換算為阻抗=（55-7.5）Ω，滿足50Ω阻抗匹配要求。

圖5 史密斯圓圖

1.2.3 橢圓極化軸比仿真優(yōu)化結(jié)果

圖6 軸比仿真結(jié)果

1.3 PCB制板及天線對比實測

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，由PCB制板制作天線樣品，圖7所示為天線樣品。

圖7 天線樣品

將天線樣品接入北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)B1頻點的北斗授時型接收機系統(tǒng)進行測試，如圖8所示。測試表明，天線“捕獲”的衛(wèi)星信號穩(wěn)定，測得接收機信噪比為65~73dB。同等測試環(huán)境下，將TOJIN公司的北斗B1頻點右旋圓極化天線接入進行測試，如圖9所示，測得其信噪比為61~70 dB。

圖8 天線樣品實測系統(tǒng)

圖9 對比實測系統(tǒng)

2 結(jié)論

根據(jù)腔模理論，分析了微帶天線實現(xiàn)圓極化的基本原理，并根據(jù)分析以及給定參數(shù)對B1頻點 （1561MHz）大概求得貼片面積、開槽尺寸、饋電點位置等參數(shù)，利用HFSS軟件進行建模仿真，參照優(yōu)化后回波損耗（1，1）圖、史密斯圓圖和橢圓極化軸比圖說明在基本的圓形微帶天線上開槽加之合適的饋電點位置可以實現(xiàn)微帶天線的右旋圓極化。

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A design of right-handed circular polarization microstrip antenna

LIU Yong-xin1,2,3, HU Yong-hui1,2, HOU Lei1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on traditional round micro-strip antenna, a right-handed circular polarization micro-strip patch antenna has been designed for Beidou satellite navigation system. Based on the cavity-model theory, an optimized model has been designed and simulated by using the method of making slots on the traditional round patch antenna and setting signal feed point. The optimized result shows that the ellipse polarization axial ratio is less than 3dB, realizing the round polarization of antenna. On the basis of simulated optimization result a prototype of round polarization antenna has been produced via PCB platemaking. The prototype of round polarization antenna was connected to Beidou time-service receiver at B1 frequency point of 1.561 MHz for test and comparison, and the system ran stably. The simulation and test indicate that the design is feasible.

Beidou satellite navigation system; right-handed circular polarization; micro-strip antenna; satellite navigation system

TN820.1+1

A

1674-0637(2014)02-0098-06

2013-04-08

中國科學院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃重點資助項目（2009ZD02）

劉永鑫，男，碩士，主要從事天線及射頻電路研究。