一種小型化三饋雙頻共相位中心微帶天線*

張　雄　陳　聰　李成全

(武漢船舶通信研究所　武漢　430205)

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一種小型化三饋雙頻共相位中心微帶天線*

張雄陳聰李成全

(武漢船舶通信研究所武漢430205)

摘要論文設(shè)計(jì)了一種小型化三饋雙頻共相位中心微帶天線，這種微帶天線通過多層介質(zhì)基板層疊而成，可工作于f1(1566±15MHz)和f2(1268.5±12.5MHz)兩個(gè)工作頻帶，有效展寬了工作帶寬。天線采用三饋電點(diǎn)饋電方案，實(shí)現(xiàn)了圓極化，提高了天線的相位中心穩(wěn)定性。利用HFSS軟件對天線進(jìn)行建模與仿真，并對樣機(jī)進(jìn)行實(shí)測，天線回波損耗、方向圖與仿真結(jié)果吻合良好,天線具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞三饋; 雙頻; 共相位中心

Class NumberTN822

1引言

目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息，已廣泛用于導(dǎo)航、測繪、監(jiān)測、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域，天線作為通信系統(tǒng)終端，其性能指標(biāo)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效果，因此成為研究的熱點(diǎn)[1～3]。

微帶天線由于其結(jié)構(gòu)、體積、成本和電性能上的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航天線領(lǐng)域[4]。歷年來對微帶天線的研究重點(diǎn)都在改善帶寬和提高增益上，對天線相位中心穩(wěn)定性研究甚少，隨著GPS、北斗等多種先進(jìn)無線電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對導(dǎo)航定位、測繪測向等應(yīng)用的精度要求越來越高，而天線相位中心的位置及其穩(wěn)定性對系統(tǒng)的影響已不可忽略，設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定相位中心的天線以及標(biāo)定相位中心穩(wěn)定性日益受到人們的重視[5]。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)的小型化三饋雙頻共相位中心微帶天線，這種微帶天線集成了兩層輻射介質(zhì)基板和兩層饋電網(wǎng)絡(luò)基板，上下兩層輻射介質(zhì)基板表面的輻射貼片，分別由圓形和圓環(huán)形構(gòu)成，上下兩層饋電網(wǎng)絡(luò)基板上的饋電結(jié)構(gòu)，均采用圍繞圓心的三點(diǎn)均勻?qū)ΨQ分布的三饋電點(diǎn)等幅饋電方案[6～7]，天線為右旋圓極化工作模式，可工作于兩個(gè)頻段，天線饋電結(jié)構(gòu)相對于圓形(或圓環(huán)形)輻射貼片具有周向?qū)ΨQ性，因此具有穩(wěn)定的相位中心一致性，該天線具有工作頻帶寬，圓極化純度高，相位中心一致性穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[8～9]，可用來精確測量、測距、導(dǎo)航、定位等。

2天線設(shè)計(jì)

2.1天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)圖如圖1:天線尺寸僅為Φ68mm×13.15mm，天線分為輻射部分和饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分，其中輻射部分包含f1和f2頻段兩層輻射介質(zhì)基板，分別采用高介電常數(shù)(εr1=10.2,εr2=6.1)材料，可有效減小天線的體積,采用厚的介質(zhì)基板(H1=3.18mm，H2=5.97mm),可有效展寬天線的帶寬；饋電網(wǎng)絡(luò)部分包含f1和f2頻段兩層饋電介質(zhì)基板，輻射部分和饋電網(wǎng)絡(luò)兩部分共四層介質(zhì)基板。

圖1　天線結(jié)構(gòu)示意圖

該天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1。

表1　各重頻率分集的頻率與字符的對應(yīng)關(guān)系

其中輻射部分最上層輻射基板工作于f1頻段，輻射部分下層輻射基板工作于f2頻段；饋電網(wǎng)絡(luò)部分上層饋電基板工作于f2頻段，饋電網(wǎng)絡(luò)部分最下層饋電基板工作于f1頻段，上下層饋電基板的相對介電常數(shù)均為εr3,其厚度均為H3。

輻射基板旁有三個(gè)塑料螺釘, 其與圓心之間距離為12.5mm，與圓心連線的夾角互為120°,依次穿過輻射基板和饋電網(wǎng)絡(luò)基板，將輻射部分和饋電網(wǎng)絡(luò)部分緊密接觸，保證天線機(jī)械連接穩(wěn)定。

2.2天線電氣設(shè)計(jì)

應(yīng)用Ansoft HFSS v15軟件對天線進(jìn)行建模與設(shè)計(jì)，天線仿真模型圖如圖2。

圖2　天線仿真模型圖

天線的相位中心穩(wěn)定度與天線的形式和饋電方式相關(guān)，天線尺寸越小、對稱性越好，饋電數(shù)目越多，饋電點(diǎn)越對稱，其相位中心穩(wěn)定度越高。從理論上講:天線的阻抗特性、圓極化純度以及方向圖不圓度等指標(biāo)特性越好，其相位中心穩(wěn)定度越高。

本文設(shè)計(jì)的三饋雙頻微帶天線，分別采用圓形和圓環(huán)形貼片作為輻射器，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[10]：

饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3　饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3示饋電網(wǎng)絡(luò)為f2頻段的饋電結(jié)構(gòu)示意圖，采用帶狀線的形式，中間設(shè)計(jì)有隔離電阻，采用貼片薄膜電阻100Ω，該饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)基板中的三個(gè)通孔1靠近圓心，f1頻段的饋電探針分別從此孔穿過與f1頻段的饋電基板上的饋電網(wǎng)絡(luò)連接，因此f1頻段饋電基板必須設(shè)計(jì)在最下層。另外三個(gè)通孔2，采用塑料螺釘固定輻射基板和饋電基板；六個(gè)通孔3，采用金屬螺釘固定饋電基板。

3天線仿真分析

天線回波損耗特性及天線之間隔離度特性的仿真結(jié)果如圖4。

圖4　回波損耗及隔離度仿真結(jié)果圖

從圖4(a)中可以看出,天線在f1頻段內(nèi)回波損耗均小于-10dB，且f2頻段天線對f1頻段天線的隔離度大于21dB；從圖4(b)中可以看出,天線在f2頻段回波損耗均小于-10dB，且f1頻段天線對f2頻段天線的隔離度大于18dB。

天線f1頻段在(φ=0°,θ=0°)方向的增益特性和軸比特性的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　增益和軸比仿真結(jié)果圖

從圖5可以看出，天線在f1頻段內(nèi)增益≥2.0dB,軸比≤3dB。

天線f2頻段在(φ=0°,θ=0°)方向的增益特性和軸比特性的仿真結(jié)果如圖6示:

圖6　增益和軸比仿真結(jié)果

從圖6可以看出，天線在f2頻段內(nèi)增益≥2.0dB,軸比≤3.0dB。

天線在f1頻段內(nèi)中心頻點(diǎn)和f2頻段內(nèi)中心頻點(diǎn)的輻射方向圖仿真結(jié)果如圖7。

圖7　輻射方向圖仿真結(jié)果

從圖7(a)可以看出，天線在f1頻段中心頻點(diǎn)增益大于2.5dB，前后比大于26dB;從圖7(b)可以看出，天線在f2頻段中心頻點(diǎn)增益大于3dB，前后比大于24dB。

天線f1頻段內(nèi)的相位方向圖特性仿真結(jié)果如圖8。

圖8　相位方向圖仿真結(jié)果圖

從圖8可以看出，天線f1頻段中心頻點(diǎn)相位方向圖，各個(gè)方位面(Phi=-90°、-70°、-50°、-30°、-10°、10°、30°、50°、70°、90°)的相位曲線在±90范圍內(nèi),波動(dòng)范圍≤5.45°,電氣中心與幾何中心一致性≤2.68mm。

圖9　相位方向圖仿真結(jié)果圖

從圖9可以看出，天線f2頻段中心頻點(diǎn)相位方向圖，各個(gè)方位面(Phi=-90°、-70°、-50°、-30°、-10°、10°、30°、50°、70°、90°)的相位曲線在±90范圍內(nèi),波動(dòng)范圍≤4.08°,電氣中心與幾何中心一致性≤2.91mm。

4天線實(shí)測結(jié)果

天線實(shí)物圖如圖10。

圖10　天線實(shí)物照片

采用安捷倫E5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線進(jìn)行回波損耗測試，如圖11。

(a)

(b)圖11　天線回波損耗實(shí)測

從圖11(a)中可以看出，天線在f1頻段內(nèi)回波損耗均小于-10dB；從圖11(b)中可以看出，在f2頻段內(nèi)回波損耗也均小于-10dB，實(shí)測與仿真結(jié)果吻合。

從圖12(a)中可以看出，天線在f1頻段中心頻點(diǎn)的增益實(shí)測為2.2dBi，前后比大于20dB；從圖12(b)中可以看出，天線在f2頻段中心頻點(diǎn)增益實(shí)測為2.8dB，前后比大于32dB，實(shí)測與仿真結(jié)果基本吻合。

圖12　天線方向圖實(shí)測

5結(jié)語

本文成功提出了一種小型化三饋雙頻圓極化共相位中心微帶天線的創(chuàng)新方案，天線樣機(jī)的各項(xiàng)實(shí)測指標(biāo)均與仿真結(jié)果相吻合，在鎖定衛(wèi)星信號的能力上優(yōu)于其他同類矩形貼片天線，且天線滿足小

型化，實(shí)現(xiàn)了雙頻功能，在涉及有高精度、高相位中心穩(wěn)定性測量型天線，或?qū)Τ叽?、重量有?yán)格應(yīng)用要求的環(huán)境中，具有廣泛的工程應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 席獻(xiàn)光,張鎖熊,王慧君.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].飛行器測控學(xué)報(bào)，2003(1)：1-6.

[2] 王曉明,殷耀國,楊自明.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)展[J].全球定位系統(tǒng)，2006(4)：39-42.

[3] 劉美生.全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用綜述(一)——導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展的沿革[J].中國測試技術(shù)，2006(5):1-7.

[4] 鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1991.

[5] 丁克乾,柯炳清.一種星載高相位中心穩(wěn)定度雙頻GPS天線[J].遙測遙控，2007(1):182-186.

[6] 陳慰,陶學(xué)敏,趙娜.新型三等分Wilkinson功分器在高效率功放中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2011(8):138-142.

[7] 韓淑萍,李銘祥.高隔離度一分三功分器的設(shè)計(jì)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004(6):559-561.

[8] 林晨,張福順,朱楊.具有穩(wěn)定相位中心的三饋點(diǎn)圓極化微帶天線[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2011(4):715-721.

[9] 錢祖平,劉宗全,馮衛(wèi)華.一種三饋圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)與制作[J].微波學(xué)報(bào),2011(5):15-18.

[10] J.鮑爾.P布哈蒂亞.微帶天線[M].北京:電子工業(yè)出版社,1984:104-105.

A Compact Tri-feed Dual-frequency Microstrip Antenna with Same Phase Center

ZHANG XiongCHEN CongLI Chengquan

(Wuhan Marine Communication Institute, Wuhan430205)

AbstractA compact tri-feed dual-frequency microstrip antenna with same phase center is designed in this paper, it is layered with multilayer dielectric substrates, this microstrip antenna can work in f1 (1566±15MHz) and f2 (1268.5±12.5MHz) frequency band, which widens its working frequency band effectively. The three feed point theme is used to realize circular polarization and the phase center stability is also improved. Comparing the simulation results shows in HFSS and the measured results of prototype, the return loss and directional pattern are in good agreement. Because of its advantages, this antenna has wide application prospect in engineering.

Key Wordstri-feed, dual-frequency, same phase center

* 收稿日期：2015年11月8日,修回日期：2015年12月24日

作者簡介：張雄，男，助理工程師，研究方向：艦船天線、圓極化天線、波導(dǎo)縫隙天線等。陳聰，男，博士，高級工程師，研究方向：艦船特種通信天線、通信相控陣天線、天線與射頻一體化集成等。李成全，男，工程師，研究方向：艦船天線、陣列天線等。

中圖分類號TN822

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.018