導(dǎo)航終端多模寬帶微帶天線設(shè)計(jì)

張平川，孫紅杏，王思捷，朱家義，曲培新，張利偉，許 睿，白林峰

（河南科技學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引 言

目前全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Satellite System，GNSS）已被應(yīng)用到軍事及民用等領(lǐng)域，特別是隨著世界主要大國技術(shù)的進(jìn)步，相繼開發(fā)投入運(yùn)行了四款GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)，主要包括美國的全球定位系統(tǒng)（Global Position System，GPS）、歐洲的伽利略導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和我國的北斗系列（BEIDOU-1，BEIDOU-2）[1-3]。根據(jù)文獻(xiàn)可知，這四個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)工作的頻率比較接近，可以劃分為兩個(gè)工作頻段：1 163.72～1 278.75 MHz，1 561.098～1 605.375 MHz，極化方式為右手圓極化 RHCP（Right-Hand Circular Polarization，RHCP），相對(duì)頻帶寬度為33%[4-7]。由于各類導(dǎo)航系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不同，衛(wèi)星在空間的分布有限，各有優(yōu)勢，定位精度、可用性、可靠性也有差異，使得導(dǎo)航終端接收多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)數(shù)據(jù)成為一種需要。作為導(dǎo)航終端關(guān)鍵部件的天線，應(yīng)具有寬帶、多頻段、圓極化、體積小等特點(diǎn)，其工作帶寬需要覆蓋上述導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻率[8-11]。根據(jù)微帶天線體積小、易共形、重量輕、制造工藝簡單、電性能多樣化，可通過不同設(shè)計(jì)的微帶單元，最大輻射方向可從邊射到端射范圍內(nèi)調(diào)整，且易于得到各種極化等優(yōu)勢，結(jié)合右旋圓極化天線RCP（Right-Hand Circular Polarization，RCP）的特點(diǎn)[12-13]，采用寬帶微帶單元，本文設(shè)計(jì)了多模寬帶圓極化微帶天線，其工作頻率可覆蓋四大導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)采用厚的、低介電常數(shù)基片的寬阻抗帶寬貼片，并對(duì)每個(gè)貼片單元與適當(dāng)補(bǔ)償一起在饋源激勵(lì)按順序旋轉(zhuǎn)來提高圓極化貼片陣列的阻抗帶寬和圓極化純度，更好地滿足導(dǎo)航終端多模式任務(wù)需要。

1 微帶多模寬帶天線貼片設(shè)計(jì)

四大導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻率范圍為GPS的（1 575±2.046） MHz 和（1 227.6±2.06）MHz；Galileo 的 1 164 ～1 215 MHz，1 260～ 1 300 MHz和 1 559～ 1 592 MHz；BEIDOU-2 的（1 268.52±10.23）MHz，（1 207.14±10.23）MHz，（1 561.098±2.046）MHz，（2 491.75±8.25）MHz；GLONASS的1 603.69±10.732 5 MHz。對(duì)此歸納分析后，可將四大導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻率劃分到兩個(gè)頻段，即1 561.098～1 605.375 MHz和1 163.72～1 278.75 MHz，均采用右旋圓極化方案[4,7]。由于單饋點(diǎn)方案的圓極化帶寬太窄，無法滿足較大帶寬的指標(biāo)，而雙饋電方案時(shí)，天線調(diào)試更加容易，圓極化帶寬提高較大，但成本較高，不利于規(guī)?；褂?。因此采用四饋電點(diǎn)的方案。同時(shí)通過引入空氣層、降低介質(zhì)基板的介電常數(shù)、修改天線的等效諧振電路、附加寄生貼片、采用電厚基片[8-9]等措施提高圓極化帶寬。

由于微帶天線是一種諧振式天線，其諧振特性和RLC并聯(lián)諧振電路相似，品質(zhì)因數(shù)Q數(shù)值較大，因此其阻抗帶寬窄。

根據(jù)腔模理論，矩形微帶天線一般工作在TM01/TM10基模，由此可激勵(lì)一對(duì)正交的簡并模TM01/TM10形成圓極化，90°相位相差可通過饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，基模TM01狀態(tài)下矩形微帶天線的長度L≈λg/2，寬度在保證不產(chǎn)生高次模的條件下取值大些有利于提高頻帶效率及阻抗帶寬。寬度W的最大值由式（1）確定[14-15]：

式中：c為光速；fr為天線中心頻率；εr為相對(duì)介電常數(shù)。由于微帶天線是一種磁流輻射現(xiàn)象，兩條輻射縫間的電納具有容性特征，相當(dāng)于傳輸線產(chǎn)生了等效延長ΔL。ΔL可以根據(jù)準(zhǔn)靜法計(jì)算得到：

實(shí)際微帶長度計(jì)算如下：

考慮微帶天線介質(zhì)的特點(diǎn)為下方是介質(zhì)，上方是空氣，且為不均勻填充，所以介電常數(shù)εr須用等效介電常數(shù)εe1代替，用保角變換法計(jì)算如下：

考慮到介質(zhì)板下方空氣層的影響，微帶貼片等效復(fù)合介電常數(shù)為：

式中：εe=1為空氣的介電常數(shù)；h=5 mm。

微帶天線中的波長見式（6）：

對(duì) 于 兩 個(gè)工作 頻 段1 561.098～1 605.375 MHz，1 163.72～1 278.75 MHz，分別取中心頻率1 605.375 MHz和1 221 MHz，聯(lián)合公式（1）～（6）即可得出L，W初值。

2 饋電設(shè)計(jì)

饋電設(shè)計(jì)不僅影響天線的性能，也影響天線的成本，要綜合考慮。雖然兩饋電點(diǎn)圓極化方案在極化純度和軸比帶寬方面有較大提高，可滿足多模的需要，但中間輻射層采用的是FR4玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板，厚度為5 mm，這種板不常用，整體制作費(fèi)用較高。為了擴(kuò)大圓極化帶寬并降低制作費(fèi)用，在兩饋電的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)四饋電圓極化天線[9-10]。

天線四個(gè)饋電點(diǎn)在空間位置上結(jié)構(gòu)對(duì)稱，大大提高了軸比帶寬，減小了尺寸，相位設(shè)計(jì)成逆時(shí)針方向依次相差90°。在貼片表面四周對(duì)稱位置上各開1個(gè)矩形縫隙形成1個(gè)縫隙輻射器，由此獲得新的諧振頻率點(diǎn)，有效提高了天線阻抗帶寬[11-13]?？p隙長度和寬度分別決定于頻點(diǎn)帶寬和頻點(diǎn)位置。

矩形貼片四饋電點(diǎn)結(jié)構(gòu)俯視圖如圖1所示。其中，d=25.59 mm，L1=65 mm，L2=55 mm，Ls=83.9 mm，Lground=99.99 mm，W1=6.01 mm，W2=8.99 mm。

圖1 矩形貼片四饋電點(diǎn)結(jié)構(gòu)俯視示意圖

四饋電多模微帶寬帶天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖如圖2所示。其中，h1=12.01 mm，h2=9.99 mm，h=2.99 mm，基板為100 mm×100 mm，饋電點(diǎn)設(shè)置在基板背面。中間輻射層為65 mm×65 mm，中間層介質(zhì)基片厚度為3 mm，介電常數(shù)為4.4，在輻射片的周圍加工構(gòu)成方形環(huán)狀空氣圈。

圖2 四饋電多模微帶寬帶天線結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

90°移相器原理如圖3所示。其他移相器可以參考相關(guān)文獻(xiàn) [2，5-9]。

圖3 90°移相器原理圖

寬帶微帶多模天線饋電網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。隔離電阻可以吸收不平衡產(chǎn)生的反射能量，其大小為特征阻抗的2倍。

圖4 寬帶微帶多模天線饋電網(wǎng)絡(luò)圖

3 仿真及結(jié)果

本文利用Ansoft公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的電磁仿真軟件HFSS和Designer進(jìn)行聯(lián)合仿真，天線與饋電網(wǎng)絡(luò)連接后天線回波損耗結(jié)果如圖5 所示。該天線在1 561 MHz 和1 268 MHz兩個(gè)工作頻點(diǎn)的2個(gè)主平面軸比方向圖分別如圖6和圖7所示，兩個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主平面功率增益方向圖分別如圖8和圖9所示。

圖5 饋電多模微帶寬帶天線回波損耗S11仿真結(jié)果

由圖5可知，該天線S11＜-10 dB的阻抗帶寬為1 163～1 790 MHz，達(dá)到了45%的相對(duì)帶寬。

圖6 1 561 MHz軸比方向圖

圖7 1 268 MHz軸比方向圖

由圖5、圖6可以看出，該天線具有良好的增益覆蓋和圓極化軸比特性。

從圖8、圖9可以看出，所設(shè)計(jì)的天線滿足了多模導(dǎo)航天線的增益要求。

4 結(jié) 語

為了滿足接收適用于GLONASS，Galileo，GPS，北斗4種衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的需求，本文設(shè)計(jì)了多模微帶寬帶天線，天線極化方式為右旋圓極化。為了便于參數(shù)優(yōu)化，分別設(shè)計(jì)天線與饋電網(wǎng)絡(luò)，綜合采用多種措施保證阻抗帶寬（在輻射貼片表面開矩形縫隙等）；饋電網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)應(yīng)用寬帶移相器和3個(gè)Wilkinson功分器，向天線的4個(gè)饋電端口提供幅度相等、相位依次相差90°的激勵(lì)信號(hào)，大大提高了天線的圓極化純度，也獲得了較大的頻帶阻抗帶寬。仿真表明，該天線在工作頻率范圍內(nèi)，增益大于6 dB，回波損耗S11＜-10 dB，頂點(diǎn)軸比＜3 dB，具有良好的電性能和輻射特性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可用于提高導(dǎo)航終端技術(shù)，提高導(dǎo)航服務(wù)質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8 1 561 MHz方向圖

圖9 1 268 MHz方向圖