一種新型低剖面雙頻微帶導(dǎo)航天線(xiàn)

張艷梅,李 峰,吳嬋娟,丁 靜

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

一種新型低剖面雙頻微帶導(dǎo)航天線(xiàn)

張艷梅,李 峰,吳嬋娟,丁 靜

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)工作在BD2 B3與GPS L1頻段的低剖面微帶導(dǎo)航天線(xiàn),采用多調(diào)諧回路技術(shù)實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)雙頻工作。該天線(xiàn)方便調(diào)試與實(shí)現(xiàn),可以應(yīng)用于要求天線(xiàn)剖面較低的載體。

寄生貼片；調(diào)諧回路；低剖面；導(dǎo)航系統(tǒng)；微帶

0 引言

微帶天線(xiàn)因?yàn)轶w積小、質(zhì)量小、低剖面的優(yōu)點(diǎn)被現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)以及作戰(zhàn)系統(tǒng)所追捧,但是隨著多頻段的要求越來(lái)越多,單層微帶貼片天線(xiàn)頻帶較窄的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用[1]。文獻(xiàn)[2-5]中,依靠疊層或者多層介質(zhì)板來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段工作,嚴(yán)重削弱了微帶天線(xiàn)剖面低這一優(yōu)點(diǎn),因?yàn)榀B層勢(shì)必增加微帶天線(xiàn)的高度。近幾年,很多技術(shù)人員對(duì)微帶天線(xiàn)的多頻段工作做了很多的努力,包括厚基板法[6-7]、寄生元法[8]、疊層法[9]等,但這些方法都無(wú)一例外地增加了天線(xiàn)的高度,并沒(méi)有在低剖面方面達(dá)到理想的效果。因此,運(yùn)用新的設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)微帶天線(xiàn)多頻工作的問(wèn)題變得非常迫切。

本文研究通過(guò)寄生貼片產(chǎn)生雙頻段的工作特性,但是與文獻(xiàn)[8]不同之處在于其在一層介質(zhì)基板上同時(shí)實(shí)現(xiàn)2個(gè)常用的導(dǎo)航頻段,大大降低了天線(xiàn)的整體高度,達(dá)到了微帶天線(xiàn)真正的多頻低剖面的效果,能夠更加廣泛地應(yīng)用到對(duì)高度要求嚴(yán)苛的情況中。

本文采用的寄生貼片法屬于一種調(diào)諧回路。微帶天線(xiàn)是一種諧振式工作的天線(xiàn),依靠微帶天線(xiàn)貼片和金屬基板之間的諧振,工作在特定的工作頻點(diǎn)。根據(jù)微帶的空腔模型法理論可以得知,微帶天線(xiàn)貼片和寄生貼片可以等效為一個(gè)RLC并聯(lián)諧振電路。通過(guò)調(diào)整微帶天線(xiàn)貼片和寄生貼片之間的耦合度,可以在該并聯(lián)諧振電路中出現(xiàn)雙調(diào)諧峰,即微帶天線(xiàn)的2個(gè)工作頻段,從而使微帶天線(xiàn)的帶寬得到擴(kuò)展。如圖1所示,調(diào)整寄生單元的外形尺寸及其與饋電單元之間的距離,可以出現(xiàn)2個(gè)不同的工作頻率,實(shí)現(xiàn)常用導(dǎo)航頻段的工作特性,該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)約10%的阻抗帶寬[10]。

圖1 共面寄生貼片F(xiàn)ig.1 Coplanar parasitic patch

1 天線(xiàn)建模

1.1 微帶天線(xiàn)原理

根據(jù)微帶天線(xiàn)理論[11],貼片單元寬度w的尺寸直接影響著微帶天線(xiàn)的方向性函數(shù)、輻射阻抗及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模,通常要求寬度w滿(mǎn)足式(1)的要求

(1)

1.2 天線(xiàn)建模

由式(1)初步計(jì)算,中心貼片的輻射在εr=6.0的情況下,邊長(zhǎng)w=47,天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用單層介質(zhì),最上層是貼片,中心貼片的邊長(zhǎng)為w,四周寄生貼片的長(zhǎng)為L(zhǎng)1,寬為W1。中間層為微波復(fù)合介質(zhì)板,采用國(guó)產(chǎn)泰州旺靈的TP-2板材,其介電常數(shù)為6.0,厚度為h,最下層為天線(xiàn)的金屬基板。

(a)俯視圖(a) Top view

(b)側(cè)視圖(b) Side view圖2 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.2 Antenna geometry

微帶天線(xiàn)圓極化的實(shí)現(xiàn)方法主要有單饋微擾法、多饋法、多元法以及多陣元法[12-14],本設(shè)計(jì)采用多饋法中的正交90°饋電方法,在中心貼片通過(guò)2個(gè)幅度相等相位相差90°的饋電點(diǎn)饋電,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航天線(xiàn)的右旋圓極化[15-16],在保證工作帶寬的情況下盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)性高。

2 仿真分析

在設(shè)計(jì)天線(xiàn)時(shí),要考慮接地板的大小,采用合理的接地板尺寸能夠得到更好的天線(xiàn)性能,本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)接地板大小為某型導(dǎo)航天線(xiàn)的接地板尺寸,為兩款天線(xiàn)實(shí)物的性能比較做準(zhǔn)備。采用同軸線(xiàn)饋電方式。因?yàn)轲侂婞c(diǎn)位置的改變能夠改變天線(xiàn)的輸入阻抗,從而可以實(shí)現(xiàn)頻率的輕度調(diào)諧,所以適當(dāng)調(diào)整天線(xiàn)的饋電點(diǎn)位置能夠使天線(xiàn)有較好的阻抗匹配。本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真軟件進(jìn)行建模仿真,中間貼片的邊長(zhǎng)w確定了該天線(xiàn)的一個(gè)工作頻點(diǎn)BD2 B3的1268.52MHz。邊長(zhǎng)w越長(zhǎng),頻點(diǎn)越向低頻偏移,w越短,頻點(diǎn)越向高頻偏移,四周寄生貼片的長(zhǎng)L1和寬W1確定了寄生頻點(diǎn)的GPS L1。通過(guò)進(jìn)一步仿真和優(yōu)化確定下來(lái)的尺寸為w=45mm,L1=44.8mm,W1=6mm, 圖3所示為軟件中的仿真模型。

圖3 天線(xiàn)仿真模型Fig.3 The simulated antenna model

圖4～圖9給出了該仿真模型的仿真性能曲線(xiàn)。

圖4中,為從2個(gè)饋電點(diǎn)分別仿真出該天線(xiàn)的反射系數(shù),可以看出,2個(gè)饋電點(diǎn)激勵(lì)的天線(xiàn)貼片都能很好地工作在BD2 B3的工作頻點(diǎn),天線(xiàn)的反射系數(shù)S11小于-10dB。

圖5中,在BD2 B3頻點(diǎn),該天線(xiàn)的頂向增益為5.4dB。圖6中,該天線(xiàn)的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線(xiàn),滿(mǎn)足導(dǎo)航天線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)方向圖的要求。

圖7中,從2個(gè)饋電點(diǎn)分別仿真出該天線(xiàn)的反射系數(shù),可以看出,2個(gè)饋電點(diǎn)激勵(lì)的天線(xiàn)貼片都能很好地工作在GPS L1的工作頻點(diǎn),天線(xiàn)的反射系數(shù)S11小于-10dB。

圖8中,在GPS L1頻點(diǎn),該天線(xiàn)的頂向增益為3.3dB。圖9中,該天線(xiàn)的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線(xiàn),滿(mǎn)足導(dǎo)航天線(xiàn)對(duì)天線(xiàn)方向圖的要求。

圖4 BD2 B3的工作頻點(diǎn)反射系數(shù)Fig.4 The return loss for the antenna at BD2 B3

圖5 BD2 B3的E面方向圖Fig.5 The radiation pattern for the antenna at BD2 B3

圖6 BD2 B3的三維立體方向圖Fig.6 The 3D radiation pattern for the antenna at BD2 B3

圖7 GPS L1的工作頻點(diǎn)反射系數(shù)Fig.7 The return loss for the antenna at GPS L1

圖8 GPS L1的E面方向圖Fig.8 The radiation pattern for the antenna at GPS L1

圖9 GPS L1的三維立體方向圖Fig.9 The 3D radiation pattern for the antenna at GPS L1

3 實(shí)物制作

用HFSS 13.0進(jìn)行仿真分析后,對(duì)該模型進(jìn)行加工,并與某型導(dǎo)航天線(xiàn)進(jìn)行了室外收星實(shí)驗(yàn)對(duì)比,與某型導(dǎo)航天線(xiàn)的BD2 B3頻點(diǎn)以及GPS L1頻點(diǎn)定位的經(jīng)緯高精度水平相當(dāng),詳見(jiàn)圖10及圖11。

圖10 加工實(shí)物圖Fig.10 Processing real figure

圖11 實(shí)物裝配圖Fig.11 The prototype for the antenna

實(shí)物制作中,因?yàn)榇嬖诎宀牡暮穸纫约鞍宀谋旧斫殡姵?shù)的誤差,會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)實(shí)際工作頻點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)頻點(diǎn),通過(guò)對(duì)貼片以及寄生貼片的切割可以實(shí)現(xiàn)頻率校正,使之與設(shè)計(jì)值匹配。圖12、圖13所示為使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B測(cè)量的該天線(xiàn)實(shí)物的反射系數(shù),從圖12可以看出,原天線(xiàn)貼片在未經(jīng)調(diào)試時(shí),工作頻點(diǎn)為1.270GHz,通過(guò)切割天線(xiàn)貼片表面的敷銅層圖形,將該天線(xiàn)的工作頻點(diǎn)調(diào)試為1.26852GHz。

圖12 實(shí)物天線(xiàn)在BD2 B3頻點(diǎn)的反射系數(shù)Fig.12 Measured return loss for the antenna at BD2 B3

圖13 實(shí)物天線(xiàn)在GPS L1頻點(diǎn)的反射系數(shù)Fig.13 Measured return loss for the antenna at GPS L1

圖14中,左邊為某型BD2 B3和GPSL1雙頻導(dǎo)航天線(xiàn),右邊為本文研究設(shè)計(jì)的低剖面雙頻導(dǎo)航天線(xiàn),通過(guò)對(duì)比可以看出,在不改變天線(xiàn)安裝形式的情況下,天線(xiàn)高度減少至少一個(gè)天線(xiàn)貼片的厚度4mm,該設(shè)計(jì)中的天線(xiàn)能夠應(yīng)用在對(duì)高度要求更加苛刻的環(huán)境中。

圖14 兩款天線(xiàn)的對(duì)比圖Fig.14 Contrast of two antenna

4 結(jié)論

隨著通信技術(shù)的發(fā)展, 對(duì)低剖面多頻帶天線(xiàn)的需求將會(huì)越來(lái)越多。本文設(shè)計(jì)的低剖面雙頻微帶導(dǎo)航天線(xiàn)簡(jiǎn)化了天線(xiàn)結(jié)構(gòu),大大降低了天線(xiàn)的高度,能夠更加靈活地應(yīng)用于多頻段的導(dǎo)航系統(tǒng)中。

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A New Low Profile Dual-frequency Micro-strip Antenna for Navigation System

ZHANY Yan-mei, LI Feng, WU Chan-juan, DING Jing

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

A new low profile micro-strip antenna which is able to work at BD2 B3 and GPS L1 for navigation system is designed. By using of multi-tuning loop,dual-frequency operation of antenna which is easy to adjust and implement is achieved. The proposed antenna can be used on various platforms which has more requirements of low profile antenna.

Parasitic patch; Tuning loop; Low profile; Navigation system; Micro-strip

2016-12-17；

2017-01-18

張艷梅(1984-)女,碩士,中級(jí)工程師,主要從事導(dǎo)航天線(xiàn)方面的研究。E-mail: zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.010

U666.12

A

2095-8110(2017)02-0053-05