基于北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定相位中心圓極化微帶天線

商 鋒, 卿藝倬

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

基于北斗系統(tǒng)的穩(wěn)定相位中心圓極化微帶天線

商 鋒, 卿藝倬

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

北斗系統(tǒng)中，圓極化天線的相位中心穩(wěn)定性是高精度導(dǎo)航定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為達(dá)到這一技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種一分四饋電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)幅度相等、相位依次相差90°的四點(diǎn)饋電方式，實(shí)現(xiàn)圓極化。同時(shí)采用HFSS仿真軟件對(duì)饋電點(diǎn)位置進(jìn)行優(yōu)化，提高相位中心穩(wěn)定度。仿真結(jié)果顯示，該天線相位中心穩(wěn)定度達(dá)到1.104mm，同時(shí)圓極化輻射性能優(yōu)越，具備很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

相位中心；多點(diǎn)饋電；圓極化；微帶天線

隨著我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以及導(dǎo)航定位精度的不斷提高，相位中心的偏差及穩(wěn)定性對(duì)于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高精度定位有著不可忽視的影響。以往對(duì)于微帶天線研究著重在帶寬的改善和增益的提高上，而天線相位中心會(huì)隨著所接收電磁波的方向而變化，因此提高相位中心穩(wěn)定性成為研究的關(guān)鍵[1-2]。

文獻(xiàn)[3]提出了一種工作于L1頻段四饋點(diǎn)微帶天線，獲得了較好的相位中心穩(wěn)定性。本文基于上述理論現(xiàn)狀，介紹一種圓極化微帶天線，在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上不僅提高了相位中心穩(wěn)定度，同時(shí)具有優(yōu)越的圓極化輻射特性，并應(yīng)用于北斗B3頻段。設(shè)計(jì)一分四路饋電網(wǎng)絡(luò)，并采用同軸線饋電，提供了幅度相等、相位依次相差90°的4路信號(hào)。與傳統(tǒng)單、雙饋點(diǎn)的設(shè)計(jì)相比，這種均勻?qū)ΨQ饋電的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)于相位方向圖的相位差有了很好的改善，保證穩(wěn)定的相位中心。通過(guò)仿真優(yōu)化分析，文中的微帶天線的相位中心穩(wěn)定性有很大的提高，實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化輻射特性，同時(shí)對(duì)于帶寬展寬及軸比也有很好的提高。

1 天線的設(shè)計(jì)與分析

2.1 圓極化與相位中心的理論

一個(gè)圓極化波可以分解為時(shí)間和空間上均等幅正交的兩個(gè)線極化波，也就是說(shuō)，產(chǎn)生相位相差90°、振幅相等的兩個(gè)空間上正交的線極化波，即為圓極化波輻射的基本原理[4]。

對(duì)于大多數(shù)非理想天線，在全空間范圍內(nèi)都適用的相位中心并不存在。不同方位角的平面內(nèi)，天線的相位中心將位于不同的點(diǎn)上；同時(shí)在同一方位角的平面內(nèi)，不同仰角范圍對(duì)應(yīng)的相位中心也不在同一點(diǎn)上，稱為天線的相散。由此通常在天線主波束范圍一定角度內(nèi)近似找到一點(diǎn)，使得各等相位面相位波動(dòng)最為平坦。一般的，把天線轉(zhuǎn)軸置于該點(diǎn)時(shí)所測(cè)得的遠(yuǎn)場(chǎng)相位波動(dòng)峰峰值的二分之一所對(duì)應(yīng)的波程距離稱為相位中心穩(wěn)定度，表達(dá)式為

(1)

式中Δm為相位中心穩(wěn)定度，Δφ為相位波動(dòng)的峰峰值，λ為波長(zhǎng)[5-6]。

對(duì)于大多數(shù)天線而言饋電點(diǎn)數(shù)目越多，結(jié)構(gòu)對(duì)稱性越好，相位中心穩(wěn)定性越好[7]。因此相比于傳統(tǒng)雙點(diǎn)饋電設(shè)計(jì)相位中心不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圓極化輻射特性，文中提出一種4點(diǎn)均勻?qū)ΨQ饋電方式，提供4個(gè)等幅正交，相位依次為0°、90°、180°、270°的信號(hào)以保證相位中心的穩(wěn)定和接收?qǐng)A極化波。

2.2 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)給出一種同軸饋電矩形微帶天線，用于北斗B3頻段，中心頻率1 268.53 MHz，帶寬±10.23 MHz。采用易于加工和調(diào)試的正方形貼片作為輻射單元，其結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性與圓形貼片相比效率更高、波瓣更寬、帶寬性能更好，同時(shí)有利于改善天線軸比[8]。根據(jù)微帶天線理論經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于較高頻率輻射器，輻射單元寬度是

(2)

式中fr為諧振頻率，c為光速，er為天線介質(zhì)基板介電常數(shù)。若選用寬度小于上式寬度，輻射效率會(huì)降低；寬度過(guò)大，雖然效率提高，但易產(chǎn)生高次模，形成場(chǎng)的畸變[9]。為展開(kāi)帶寬，介質(zhì)基板采用介電常數(shù)為3.5、厚度為3 mm的聚四氟乙烯，該材料具有介電損耗小、介電常數(shù)低、一致性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于要求比較高的射頻微波電路上。饋電方式采用同軸探針饋電，可選在輻射貼片任意所需位置便于匹配。

如圖1所示天線HFSS設(shè)計(jì)模型，饋電點(diǎn)對(duì)稱分布于x、y軸正負(fù)半軸上，輻射貼片邊長(zhǎng)為58 mm，饋電點(diǎn)距中心位置24.2 mm，支節(jié)帶線長(zhǎng)8 mm，寬9.8 mm。

圖1 HFSS中天線的三維模型

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用一分兩個(gè)并聯(lián)的帶狀線T型結(jié)功分器如圖2所示，產(chǎn)生一分四的功率分配以及四路等幅、沿逆時(shí)針依次滯后90°的相位差信號(hào)，保證實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射。

圖2 HFSS中饋電網(wǎng)絡(luò)的三維模型

2 仿真結(jié)果分析

應(yīng)用Ansoft HFSS仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行建模仿真，進(jìn)行優(yōu)化得出天線軸比、增益、輻射方向圖以及相位方向圖，如圖3和圖4所示。

圖3 天線的軸比結(jié)果

圖4 天線的輻射方向圖

圖3中可以看出，天線在最大輻射方向軸比為0.13 dB，在10°仰角內(nèi)軸比小于3 dB；圖4所示輻射方向圖中顯示，天線正前方最大增益6.15 dB，30°仰角增益大于1.5 dB，天線圓極化特性很好。

圖5所示天線中心頻率1.268GHz，Theta角±80°內(nèi)各方位面遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖。其中每條線代表每一個(gè)方位面上的遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖，Phi角從0°～360°，每隔30°取一個(gè)方位面?？梢钥闯鯰heta角±80°內(nèi)，各方位面的遠(yuǎn)場(chǎng)電矢量相位保持一條直線，表明較穩(wěn)定的相位中心。各方位面最大相位差如表1所示。

表1 各方位面天線最大相位差及相位中心穩(wěn)定度

圖5 各方位面遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖

圖6中看出Phi角120°的方位面遠(yuǎn)場(chǎng)電矢量相位最大相差3.37°，相位中心穩(wěn)定度Δm=1.104 mm，表明天線相位中心穩(wěn)定。

對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。圖7可以看出，在中心頻率1.268 GHz處功分器的四個(gè)傳輸系數(shù)分別為-5.66 dB，-6.42 dB，-5.99 dB，-6.46 dB，S11接近-40 dB，表明其等分輸出并且損耗??；圖8所示功分器在中心頻率1.268 GHz處相位分別為-139°，130°，38°，51°，其相位差在90°左右，滿足天線圓極化特性。

圖6 Phi角120°方位面遠(yuǎn)場(chǎng)相位方向圖

圖7 饋電網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)結(jié)果圖

圖8 饋電網(wǎng)絡(luò)的相位對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文介紹一種均勻?qū)ΨQ四點(diǎn)饋電方式的微帶天線，結(jié)合所設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在北斗B3頻段(1 268.53±10.23 MHz)上接收右旋圓極化波。通過(guò)HFSS軟件仿真結(jié)果看出，天線具有較高的增益，相位中心穩(wěn)定性好，軸比特性滿足工程需要，達(dá)到了良好的匹配。對(duì)于衛(wèi)星定位導(dǎo)航和通信系統(tǒng)中，尤其在具有高精度、零相心要求領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。

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[5] 柯柄清，丁克乾．天線相位中心的推算及標(biāo)定[J]．遙測(cè)遙控， 2009，11(6)：66-69．

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[責(zé)任編輯:孫書(shū)娜]

Circular polarized microstrip antenna with stable phase center based-on BDS

SHANG Feng, QING Yizhuo

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

The stability of antenna phase center is important to navigate and locate precisely in BeiDou System. To meet the technical requirements, a four ways feed network is designed. By using four points feed method which amplitude is equal and phase difference is 90 degree in proper sequence, the circular polarized performance is realized. By using the HFSS simulation software to optimize the location of point feed, the stability of the antenna phase center is enhanced. Simulation results show that the stability of the antenna phase center is up to 1.104 mm, and at the same time, the circular polarized radiation performance of antenna is excellent, which indicate that the antenna has great engineering application value.

phase centern, points feed, circular polarized, microstrip antenna

2014-08-21

商鋒(1966-)，男，教授，碩導(dǎo)，主要從事天線理論與工程的研究。E-mail:476436868@qq.com 卿藝倬(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕l與微波電路。E-mail: piercelala@126.com

10.13682/j.issn.2095-6533.2015.01.018

TN827+.2

A

2095-6533(2015)01-0089-05