衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)中的多層圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

摘 要： 衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)有時(shí)需要在較小的區(qū)域中放置多個(gè)不同頻率的圓極化接收天線。通過研究并設(shè)計(jì)出一種GPS的[L1]和[L2]雙頻點(diǎn)雙層疊放圓極化天線，可以在很大程度上節(jié)約空間。該天線上下層是兩個(gè)獨(dú)立的單饋點(diǎn)天線，可以分別在[L1]和[L2]頻段獨(dú)立工作，分別為右旋圓極化和左旋圓極化，可作接收天線和發(fā)射天線。天線由厚度為4 mm的復(fù)合材料加工而成，調(diào)試和組裝均比較方便。經(jīng)過仿真分析優(yōu)化，設(shè)計(jì)的天線增益較高，極化特性優(yōu)良，帶寬滿足要求，完全適合于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 圓極化； 微帶天線； 雙層疊放； 單饋點(diǎn)

中圖分類號(hào)： TN820.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0065?03

Abstract： Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite navigation receiver system. The double?deck circularly polarized antenna， which receives signals from the GPS with [L1]frequency point and [L2] frequency point is studied and designed to save space. The double?deck antenna consists of two separate single feed point antenna， which is working at [L1] frequency range and [L2] frequency range independently， right?hand circular polarization and left?hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna. It′s easy to debug and install since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material. The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain， excellent polarization and qualifies bandwidth requirement， and it is suitable for satellite navigation receiver system application.

Keywords： circular polarization； microstrip antenna； double?deck superposition； single feed point

0 引 言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，對(duì)天線性能的要求也越來越高，以往單純的線極化天線己很難滿足人們的需求。圓極化微帶天線[1?6]由于結(jié)合了微帶天線諸如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、剖面低、容易制造、易于集成并可附著于任意表面等優(yōu)點(diǎn)和圓極化波能抑制雨霧的干擾、抗多徑反射、具有更好的移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達(dá)、移動(dòng)通信以及各種無線通信設(shè)備當(dāng)中。隨著這些系統(tǒng)的發(fā)展，越來越需要多頻點(diǎn)圓極化微帶天線。

多頻段天線最常見的形式包括多層天線[7]和縫隙天線[8]。一般多層天線通常是相同極化模式的雙頻點(diǎn)天線，而縫隙天線結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不易加工。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)雙頻點(diǎn)多層圓極化微帶天線，兩個(gè)頻點(diǎn)分別是：GPS的[L1]：1.575 42 GHz，[L2]： 1.227 6 GHz。天線結(jié)構(gòu)共有兩層，上下兩層均采用單饋點(diǎn)切角結(jié)構(gòu)[9]，分別用同軸線饋電，共有兩個(gè)饋電口，[L1]頻點(diǎn)天線是左旋圓極化天線，[L2]頻點(diǎn)天線是右旋圓極化天線，可作為發(fā)射天線和接收天線使用。使用HFSS軟件給出天線的仿真結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

1 天線設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)雙層[L1]和[L2]右旋圓極化微帶天線，具有較低的軸比，較好的帶寬特性和較高的增益。

天線模型如圖1所示，在直徑100 mm的金屬底板上放置兩層單饋電右旋圓極化微帶天線，上層[L1]頻段天線，下層[L2]頻段天線，天線采用同軸線饋電方式，有兩個(gè)饋電點(diǎn)（相對(duì)位置差90°）分別對(duì)上、下兩層天線饋電，上層天線的饋電同軸線從下層天線通孔穿過。

圖2給出影響天線性能的3個(gè)變量，a是方形貼片的邊長，決定諧振頻點(diǎn)的位置，a越大，諧振頻點(diǎn)越小，反之亦然；饋電點(diǎn)位置尺寸b主要影響天線輸入阻抗。以上兩個(gè)參數(shù)對(duì)天線性能的影響已經(jīng)在經(jīng)典微帶天線理論中有所體現(xiàn)，本文不做詳細(xì)分析。切角尺寸c的長度決定極化簡并分離單元[Δs，]這對(duì)單饋電圓極化微帶天線的圓極化性能有著至關(guān)重要的影響。

2 天線仿真

本文主要分析上層[L1]頻段天線切角尺寸c變化對(duì)上層和下層天線的影響。[L1]頻段天線切角尺寸c取三組數(shù)值分別為c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真結(jié)果如圖3～圖8所示，每個(gè)圖形中都有三條曲線，分別是天線的某一個(gè)性能指標(biāo)在[L1]頻段天線切角尺寸c變化下所對(duì)應(yīng)的曲線。其中虛線為c=5 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線，實(shí)線為c=5.5 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線，點(diǎn)線為c=6 mm所對(duì)應(yīng)參數(shù)曲線。

3 結(jié) 語

由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)逐漸微小化，往往要求設(shè)計(jì)出在狹小空間上可以分別接受不同頻段信號(hào)的天線。多層疊放天線是一種解決方案，而由于天線層之間干擾較多，因此設(shè)計(jì)多層圓極化微帶天線是一項(xiàng)困難的工作。本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)系統(tǒng)的雙層疊放天線，可以獨(dú)立接收[L1]和[L2]頻段信號(hào)。該天線上下兩層均采用單饋點(diǎn)切角結(jié)構(gòu)，有良好的帶寬、增益和極化性能。

另外，針對(duì)天線的單饋點(diǎn)結(jié)構(gòu)，本文對(duì)天線各項(xiàng)尺寸參數(shù)尤其是切角尺寸進(jìn)行了詳細(xì)分析。天線邊長的大小可以影響到天線諧振點(diǎn)的位置，饋電點(diǎn)的位置主要影響輸入阻抗值；天線切角的尺寸大小主要會(huì)影響到天線極化軸比的性能，而對(duì)其輸入阻抗影響很小。這些分析的結(jié)論可以給天線設(shè)計(jì)者一些有用的建議和參考。

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