商　鋒, 李文博, 陳文學(xué)

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121;　2.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 西安 710121)

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一種適應(yīng)于衛(wèi)星定位的多頻微帶天線

商鋒1, 李文博2, 陳文學(xué)2

(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院, 陜西 西安 710121;2.西安郵電大學(xué) 理學(xué)院, 陜西 西安 710121)

采用兩層介質(zhì)間添加空氣層的結(jié)構(gòu)，以及雙點(diǎn)同軸饋電方式，設(shè)計(jì)出一款多頻微帶天線,其工作頻率覆蓋頻段B3、GPS和GLONASSL1。對(duì)天線的回波損耗和方向圖等參數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的微帶天線在B3、GPS和GLONASSL1 頻段上電壓駐波比小于2，B3頻帶寬度達(dá)到40MHz，GPS和GLONASSL1頻帶寬度達(dá)到30MHz，天線輻射特性良好。

同軸饋電；多頻；微帶天線

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)利用衛(wèi)星向全球用戶提供定時(shí)、定位和導(dǎo)航等服務(wù)，現(xiàn)有的4種衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)分別是美國(guó)的GPS(Global Positioning System)、俄羅斯的GLONASS，歐洲的Galileo和中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)[1-3]。為了提高定位導(dǎo)航精度，并解決單一系統(tǒng)覆蓋空白的問題，組合應(yīng)用多種導(dǎo)航系統(tǒng)勢(shì)在必行[4]。設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)，可應(yīng)用于多種導(dǎo)航模式的多頻工作天線，是未來衛(wèi)星導(dǎo)航天線必然的發(fā)展方向。

微帶天線因其具有質(zhì)量輕、體積小、剖面低、易集成和可供性等諸多優(yōu)點(diǎn)[5]，成為衛(wèi)星定位導(dǎo)航天線的最佳選擇。圓極化微帶天線更是被被廣泛應(yīng)用于通信和電子對(duì)抗、電子偵察和干擾等領(lǐng)域[6-8],但其固有頻帶較窄[9]，在多頻段使用方面受限。采用雙層疊層結(jié)構(gòu)，以及多對(duì)稱饋點(diǎn)方式[10-11]，可以獲得良好的仿真效果，但天線模型和所需饋電設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，且天線的工作頻段也只能增加到兩個(gè)。

本文擬設(shè)計(jì)一種帶空氣層和寄生單元的雙點(diǎn)同軸饋電的微帶天線，采用雙點(diǎn)背饋的饋電方式，下層輻射導(dǎo)體貼片為輻射單元，上層導(dǎo)體貼片為增加諧振頻率的寄生單元，在兩層介質(zhì)板之間加入空氣層，并利用三維電磁仿真軟件對(duì)天線進(jìn)行仿真、分析及優(yōu)化，探討各參數(shù)變化時(shí)，回波損耗和輻射方向圖的變化，以得到適用于衛(wèi)星定位的多頻微帶天線的最佳尺寸。

1　設(shè)計(jì)原理

選擇較厚的介質(zhì)板可以適當(dāng)增加帶寬,在兩介質(zhì)層之間加入空氣介質(zhì)層,可以改善天線的駐波特性[12]。故考慮選擇形狀為正方體的介質(zhì)板，其相對(duì)介電常數(shù)為εr=3.48,下層介質(zhì)板厚度為5 mm，上層介質(zhì)板厚度為4 mm，饋電方式為雙點(diǎn)同軸饋電，輻射面為矩形，工作諧振頻率為1 268 MHz。因上下兩個(gè)輻射面之間存在相互耦合，上下兩個(gè)諧振電路分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)諧振頻率，所以，在耦合的同時(shí)，需適當(dāng)調(diào)整兩輻射面之間空氣層厚度和輻射面的面積，以使一個(gè)諧振頻率達(dá)到1 268 MHz，另一個(gè)諧振頻率達(dá)到1 575 MHz和1 602 MHz之間的中間點(diǎn)，即1 588.5 MHz，從而形成穩(wěn)定的雙峰諧振電路[13-14]。

在對(duì)天線進(jìn)行建模仿真之前，先初步確定單層矩形圓極化微帶天線的輻射面大小。根據(jù)傳輸線模型理論[15-16]，確定輻射貼片的寬度w，輻射貼片的長(zhǎng)度L，有效介電常數(shù)εe和等效輻射縫隙長(zhǎng)度ΔL。初步估算式分別為

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，h為介質(zhì)層的厚度。

由式(1)和式(2)可初步確定微帶矩形天線輻射面的大小為66.46 mm×66.46 mm；由式(3)可得有效介電常數(shù)εe=3.18；由(4)式可得出等效輻射縫隙長(zhǎng)度ΔL=2.37 mm。

采用初步估算值進(jìn)行仿真，并在仿真過程中，根據(jù)諧振頻率的偏移量，調(diào)節(jié)輻射面的大小，以得到最終符合要求的輻射面。

天線仿真建模結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由接地板、介質(zhì)板、輻射貼片、同軸探針和空氣介質(zhì)組成。該天線印刷在一塊相對(duì)介電常數(shù)為3.48的介質(zhì)基板上，下層介質(zhì)板厚度為5 mm，上層介質(zhì)板厚度為4 mm，空氣介質(zhì)層厚度為1.2 mm。將饋電點(diǎn)初始設(shè)置在9 mm的位置上，饋電點(diǎn)的具體位置可以在仿真的過程中，通過判斷史密斯(Smith)圓圖中的曲線是否過圓心得出。

仿真數(shù)據(jù)為：下層輻射面55.6 mm×55.6 mm，上層輻射面59.4 mm×59.4 mm，兩饋電點(diǎn)分別在X軸和Y軸上，距離坐標(biāo)原點(diǎn)都是12 mm，且兩饋電點(diǎn)相位相差90°，輻射圓極化波。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視圖

2　仿真結(jié)果及分析

利用基于有限元的電磁仿真軟件HFSS對(duì)天線的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行仿真[17]。將天線的中心頻率設(shè)置為1 268 MHz,計(jì)算步數(shù)設(shè)置為20步，計(jì)算誤差設(shè)置為0.02；掃頻范圍設(shè)置為1.1～1.7 GHz，步長(zhǎng)設(shè)置為100 kHz。

各參數(shù)的仿真結(jié)果，包括天線的回波損耗S11、駐波比曲線、輻射方向圖、史密斯圓圖和軸比圖，分別如圖2至圖6所示。

由圖2可知，天線在掃頻范圍內(nèi)的工作頻段分別為1.24 ～1.28 GHz和1.57～1.59 GHz，對(duì)應(yīng)頻帶寬度分別達(dá)到了40 MHz和30 MHz。由圖3可知，在天線的工作頻段范圍內(nèi)駐波比均小于2，駐波性能良好。

圖2　天線的回波損耗

圖3　駐波比曲線

天線在1 268 MHz、1 575 MHz和1 602 MHz上的輻射方向圖如圖4所示，可見：在B3頻段正前方增益達(dá)到7.64 dB，50°仰角增益大于3 dB；在GPS頻段正前方增益達(dá)到8.54 dB，50°仰角增益大于3 dB；在GLONASS L1頻段正前方增益達(dá)到8.42 dB，50°仰角增益大于3 dB。天線方向圖正前方都在一個(gè)點(diǎn)處重合，輻射特性良好。

天線的史密斯圓圖如圖5所示，圓圖中的曲線距離圓心極近，可以看作天線耦合情況良好。

天線在1 268 MHz、1 575 MHz和1 602 MHz上的軸比圖如圖6所示：在B3頻段，天線正前方軸比為0.65 dB，50°以內(nèi)軸比小于7 dB；在GPS頻段，天線正前方軸比為0.26 dB，60°以內(nèi)軸比小于7 dB；在GLONASS L1頻段，天線正前方軸比為0.59 dB，50°以內(nèi)軸比小于7 dB。

(a) 1 268 MHz

(b) 1 575 MHz

(c) 1 602 MHz

圖5　史密斯圓圖

(a) 1 268 MHz

(b) 1 575 MHz

(c) 1 602 MHz

3　結(jié)語

設(shè)計(jì)出一種多層結(jié)構(gòu)以雙點(diǎn)同軸饋電的多頻工作微帶天線，其頻率帶寬可覆蓋B3、GPS和GLONASS L1波段。利用三維電磁仿真軟件HFSS仿真出的結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線在工作頻段內(nèi)帶寬良好，并能發(fā)射圓極化波，在耦合匹配和輻射方向上略有損耗。天線結(jié)構(gòu)和饋電網(wǎng)絡(luò)相對(duì)簡(jiǎn)單，且能夠工作在3個(gè)頻段上。天線滿足衛(wèi)星定位天線的各項(xiàng)指標(biāo)，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

A multi-frequency microstrip antenna for satellite positioning

SHANG Feng1,LI Wenbo2,CHEN Wenxue2

(1.School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2.School of Science, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

By adding an air layer between two media layers, and employing the two point coaxial feeding mode, a multi-frequency microstrip antenna is designed, whose working frequency covers band B3, GPS and GLONASS L1. Some parameters of the antenna, such as the return loss and radiation pattern, are simulated, and the results show that, in band B3, GPS and GLONASS L1, the voltage VSWR of the designed microstrip antenna is less than 2. the width of band B3 is up to 40 MHz, the width of GPS and GLONASS L1 can reach to 30 MHz, so, the antenna is of good radiation characteristics.Keywords:coaxial feed, multi-frequency, microstrip antenna

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.013

2016-03-06

商鋒(1965-)，男，教授，從事天線理論與工程研究。E-mail: 476436868@qq.com

李文博(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)。E-mail: 619141975@qq.com

TN827+2

A

2095-6533(2016)04-0067-05