基于超材料的雙頻雙圓極化北斗導(dǎo)航天線(xiàn)設(shè)計(jì)

袁 昊,欒秀珍,王曉慶

(大連海事大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 大連 116026)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著2020 年6 月23 日北斗3 號(hào)最后一顆衛(wèi)星的發(fā)射成功,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)完美收官,對(duì)其應(yīng)用的研究將成為未來(lái)發(fā)展的主要任務(wù)。BDS 不僅能提供定位服務(wù),而且還支持短報(bào)文通信服務(wù)。短報(bào)文通信是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)別于其他導(dǎo)航系統(tǒng)的重要功能之一,其要求終端天線(xiàn)在頻率為1.615 GHz 的上行鏈路極化方式為左旋圓極化;在頻率為2.492 GHz 的下行鏈路極化方式為右旋圓極化[1]。為了實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化,通常要求終端天線(xiàn)能同時(shí)工作在1.615 GHz 頻段和2.492 GHz 頻段,且分別輻射左旋圓極化波(LHCP)和接收右旋圓極化波(RHCP),即具有雙頻雙圓極化的特性,這些要求給天線(xiàn)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。

目前,關(guān)于雙頻雙圓極化天線(xiàn)的研究主要集中在對(duì)四臂螺旋天線(xiàn)和多模、多共振及堆疊式結(jié)構(gòu)微帶天線(xiàn)的研究上[2-7]。文獻(xiàn)[2]給出了四臂螺旋結(jié)構(gòu)的雙頻雙圓極化北斗導(dǎo)航天線(xiàn)的設(shè)計(jì),該天線(xiàn)剖面高,饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。文獻(xiàn)[3-4]采用多共振模式設(shè)計(jì)了單層雙頻雙圓極化天線(xiàn)。然而,這些天線(xiàn)一般具有阻抗帶寬和軸比帶寬較窄的缺陷。為了解決窄帶問(wèn)題,文獻(xiàn)[5-7]分別采用堆疊式微帶天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙頻雙圓極化北斗導(dǎo)航天線(xiàn),但由于采用的是堆疊式結(jié)構(gòu),所以天線(xiàn)剖面高,饋電方式復(fù)雜。

近年來(lái),關(guān)于超材料及其應(yīng)用的研究發(fā)展迅速。超材料是一類(lèi)新型人工材料,復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)(CRLH-TL)是一種具有代表性的超材料傳輸線(xiàn),其在某些頻率處的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值,電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量遵從左手定則;而在其他頻率處,等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為正值,電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量遵從右手定則。利用CRLH-TL 的這一特性可以設(shè)計(jì)雙頻雙圓極化天線(xiàn)[8]。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于超材料傳輸線(xiàn)的雙頻雙圓極化天線(xiàn)。該天線(xiàn)為雙饋雙臂方形螺旋線(xiàn)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸較大。文獻(xiàn)[10]基于I 形超材料單元所構(gòu)成的傳輸線(xiàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)單臂方形螺旋天線(xiàn),該天線(xiàn)在2.6 GHz 和3.6 GHz 頻率處的極化方式分別為左旋和右旋圓極化,但在2.6 GHz 處增益只有0.92 dBi。文獻(xiàn)[11]基于超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了雙頻雙圓極化單臂圓形螺旋天線(xiàn),但該天線(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)困難。

綜上所述,目前利用超材料的左/右手傳輸特性設(shè)計(jì)的北斗導(dǎo)航雙頻雙圓極化天線(xiàn)鮮有報(bào)道,本文基于超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款新型雙頻雙圓極化北斗導(dǎo)航天線(xiàn)。該天線(xiàn)是基于I 形和Γ 形超材料單元構(gòu)成的混合型超材料傳輸線(xiàn)所設(shè)計(jì)的單饋單臂方形螺旋天線(xiàn)。該天線(xiàn)在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的1.615 GHz 頻段極化方式為左旋圓極化,在2.492 GHz 頻段的極化方式為右旋圓極化,且在兩個(gè)工作頻段內(nèi)增益均大于3.4 dBi,各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信的要求,因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 超材料單元結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

超材料復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元的原理圖如圖1 所示。其中,串聯(lián)電感LR和并聯(lián)電容CR構(gòu)成普通的右手關(guān)系傳輸線(xiàn)單元;串聯(lián)電容CL和并聯(lián)電感LL構(gòu)成具有左手關(guān)系的傳輸線(xiàn)單元,二者共同構(gòu)成復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元。

圖1 復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元的原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composite left-handed and right-handed transmission line unit cell

CRLH-TL 單元的傳播常數(shù)可表示為:

式中:Z1=j [ωLR-1/(ωCL)];Y1=j [ωCR-1/(ωLL)]。

圖1 中串聯(lián)支路和并聯(lián)支路的諧振頻率分別為:

當(dāng)ωseries=ωshunt=ω0時(shí),稱(chēng)為平衡態(tài)。在平衡狀態(tài)時(shí),CRLH-TL 單元中波傳播的相移常數(shù)為[12]:

當(dāng)ω=ω0時(shí),β=0,ω0稱(chēng)為CRLH-TL 的過(guò)渡轉(zhuǎn)折頻率;當(dāng)ω<ω0時(shí),β<0,該頻段為CRLH-TL 的左手傳輸特性頻段;當(dāng)ω>ω0時(shí),β>0,該頻段為CRLHTL 的右手傳輸特性頻段。

圖1 所示是一種非對(duì)稱(chēng)型復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元,其非對(duì)稱(chēng)性會(huì)導(dǎo)致二端口網(wǎng)絡(luò)在某種程度上的不匹配,不便于在微波電路中實(shí)現(xiàn)[13]。圖2(a)所示是一種對(duì)稱(chēng)型復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元,便于微波實(shí)現(xiàn),且用對(duì)稱(chēng)型單元構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)傳輸線(xiàn)與用非對(duì)稱(chēng)型單元構(gòu)成的周期性結(jié)構(gòu)傳輸線(xiàn)具有相同的左/右手傳輸特性[13],因此,本文基于圖2(a)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩種半集中參數(shù)電路單元,如圖2(b)和圖2(c)所示。在圖2(b)中,集中參數(shù)的電容2C0和電感L0用于實(shí)現(xiàn)圖2(a)中的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感;長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)seg/2,Lseg和Lseg/2 的微帶傳輸線(xiàn)段用于實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容[13-14]。串聯(lián)電感由沿微帶線(xiàn)流動(dòng)的高頻電流產(chǎn)生的磁通量引起;而并聯(lián)電容則由在微帶導(dǎo)體帶條與其下方的接地板間存在的電場(chǎng)導(dǎo)致[13]。該電路單元稱(chēng)為“I 形單元”。在圖2(c)中,并聯(lián)電感由一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)stub的終端短路并聯(lián)微帶線(xiàn)段構(gòu)成[14],其他部分與“I形單元”相同,稱(chēng)為“Γ 形單元”。

圖2 對(duì)稱(chēng)型復(fù)合左/右手傳輸線(xiàn)單元的原理圖和結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic and structural diagram of symmetric composite left/right-handed transmission line unit cell

本文選擇相對(duì)介電常數(shù)εr=2.55,基板厚度B=3 mm 的F4B 板材進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)雙頻(fL=1.615 GHz,fH=2.492 GHz)雙圓極化天線(xiàn)的要求,確定I 形單元和Γ 形單元結(jié)構(gòu)中的參數(shù)分別為:2C0=2.4 pF,L0=3.8 nH,Lseg=6 mm,w=8.35 mm,g=1 mm,Lstub=6.8 mm,Wstub=1.25 mm,Rstub=0.5 mm,p=14 mm,此時(shí)I 形和Γ 形單元結(jié)構(gòu)相對(duì)于空氣中傳播常數(shù)k0的相移常數(shù)曲線(xiàn)分別如圖3(a)和(b)所示。由圖可以看出,兩種單元結(jié)構(gòu)的過(guò)渡頻率點(diǎn)均為f0=1.9 GHz。在過(guò)渡頻率點(diǎn)以上可以獲得正的相移常數(shù),在過(guò)渡頻率點(diǎn)以下可以獲得負(fù)的相移常數(shù),且,該特性為在同一幅螺旋天線(xiàn)上fL和fH頻段實(shí)現(xiàn)左旋和右旋圓極化奠定了理論基礎(chǔ)。

2 雙頻雙圓極化天線(xiàn)設(shè)計(jì)與加工

2.1 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

本文采用I 形單元和Γ 形單元構(gòu)成的混合型超材料傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的雙頻雙圓極化天線(xiàn),天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該天線(xiàn)為單饋單臂方形平面螺旋天線(xiàn),信號(hào)從饋電點(diǎn)A 輸入后,先在由16個(gè)I 形單元構(gòu)成的超材料傳輸線(xiàn)中進(jìn)行傳輸,然后在由17 個(gè)Γ 形單元構(gòu)成的超材料傳輸線(xiàn)中進(jìn)行傳輸,波在傳輸過(guò)程中不斷輻射能量,從而構(gòu)成螺旋天線(xiàn)。從A 點(diǎn)開(kāi)始,各段螺旋臂的長(zhǎng)度分別為:L1=L2=p,L3=L4=2p,L5=L6=3p,L7=L8=4p,L9=L10=5p,L11=3p。其中,p為超材料單元的長(zhǎng)度。天線(xiàn)末端B 處接入Bloch 阻抗,ZB=50 Ω。

從圖3 中可以看出,當(dāng)f<1.9 GHz 時(shí),相移常數(shù)為負(fù)值,而由圖4 可知該螺旋天線(xiàn)為右旋繞制,所以,當(dāng)單臂螺旋天線(xiàn)外環(huán)路周長(zhǎng)大約為fL對(duì)應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)時(shí),可以在fL頻率附近產(chǎn)生左旋圓極化波;而當(dāng)f>1.9 GHz時(shí),相移常數(shù)為正值,故當(dāng)天線(xiàn)環(huán)路周長(zhǎng)大約為fH對(duì)應(yīng)的一個(gè)導(dǎo)波波長(zhǎng)時(shí),則在fH頻率附近產(chǎn)生右旋圓極化波。

圖3 兩種超材料單元結(jié)構(gòu)的相移常數(shù)曲線(xiàn)Fig.3 Phase constant curves of the two metamaterial unit cell structures

圖4 雙頻雙圓極化單臂螺旋天線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of dual-band dual-circularly polarized single-arm spiral antenna

2.2 天線(xiàn)加工與測(cè)量

基于以上設(shè)計(jì)結(jié)果,對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了實(shí)際加工。圖5 所示為天線(xiàn)實(shí)物圖。

圖5 天線(xiàn)實(shí)物圖Fig.5 Photographs of the fabricated antenna

圖6 為測(cè)量的S11參數(shù)曲線(xiàn)。由圖6 可知,在L 頻段,S11<-10 dB 的頻帶范圍為1.55～1.68 GHz,帶寬約為8%;在S 頻段,S11<-10 dB 的頻帶范圍為2.4～2.7 GHz,帶寬約為12%,說(shuō)明該天線(xiàn)具有良好的匹配性能,且工作帶寬較寬。

圖6 測(cè)量的S11參數(shù)曲線(xiàn)Fig.6 The measured S11 parameter curves

圖7 給出了天線(xiàn)在兩個(gè)中心工作頻率處的方向性圖。由圖可見(jiàn),在L 波段的中心頻率f=1.615 GHz處,天線(xiàn)的主極化方式為左旋圓極化,在θ=0°方向的增益約為3.6 dBi,交叉極化鑒別率大于21 dB,半功率波瓣寬度2θ0.5,L>100°;在S 波段的中心頻率f=2.492 GHz 處,天線(xiàn)的主極化方式為右旋圓極化,在θ=0°方向的增益約為4.85 dBi,交叉極化鑒別率大于21 dB,半功率波瓣寬度2θ0.5,R>70°。

圖7 天線(xiàn)在兩個(gè)中心工作頻率處的方向性圖Fig.7 Antenna radiation patterns at two central operating frequencies

圖8 所示為天線(xiàn)的軸比隨頻率變化的曲線(xiàn)。由圖可知,在L 頻段,AR<3 dB 的頻帶范圍為1.56～1.66 GHz,帶寬約為6%;在S 頻段,AR<3 dB 的頻帶范圍為2.46～2.6 GHz,帶寬約為5.5%。

圖8 軸比隨頻率變化曲線(xiàn)Fig.8 Axial ratio versus frequency curve

圖9 所示為天線(xiàn)的增益隨頻率變化的曲線(xiàn)。由圖可知,在L 頻段的工作頻帶(1.615 GHz±4.08 MHz)內(nèi),天線(xiàn)增益大于3.4 dBi;在S 頻段的工作頻帶(2.492 GHz±4.08 MHz)內(nèi),天線(xiàn)增益大于4.8 dBi。由此可見(jiàn),天線(xiàn)在兩個(gè)工作頻帶均具有較高的增益。

圖9 增益隨頻率變化曲線(xiàn)Fig.9 Gain versus frequency curve

3 結(jié)論

本文基于超材料結(jié)構(gòu)提出并研制了一款應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的新型短報(bào)文收發(fā)一體天線(xiàn)。該天線(xiàn)利用超材料傳輸線(xiàn)的左/右手傳輸特性實(shí)現(xiàn)了在北斗L 頻段輻射左旋圓極化波、在S 頻段接收右旋圓極化波的特性,且在兩個(gè)頻段均具有較高的增益,S11<-10 dB的帶寬均大于8%,3 dB 軸比帶寬均大于5.5%。由此可見(jiàn),利用超材料傳輸線(xiàn)左/右手傳輸特性設(shè)計(jì)的雙頻雙圓極化天線(xiàn)可以很好地滿(mǎn)足北斗導(dǎo)航系統(tǒng)短報(bào)文通信的要求,且天線(xiàn)為單層結(jié)構(gòu),單點(diǎn)饋電,具有剖面低、易饋電等優(yōu)點(diǎn),因此具有廣泛的應(yīng)用前景。