一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計

王麗黎，馬 杰，董 培

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641)

一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計

王麗黎1，馬 杰2，董 培1

(1.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641)

設(shè)計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線和一款在1.2 GHz～1.4 GHz表現(xiàn)磁負特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。對單頻天線接地板加載兩個超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中，較高的諧振頻率是由天線自身產(chǎn)生，較低諧振頻率是由超材料結(jié)構(gòu)單元的加入激發(fā)產(chǎn)生。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、體積小、易于加工等特點。單頻天線加工了實物，仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。

雙頻段；超材料；衛(wèi)星導(dǎo)航

0 引言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指為地面、海洋、空間及太空的各種載體提供位置、速度等信息服務(wù)的專業(yè)系統(tǒng)，可實現(xiàn)對目標的定位、導(dǎo)航和管理，已經(jīng)在軍事和民用等不同領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用，成為不可或缺的無線電應(yīng)用技術(shù)。目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已經(jīng)覆蓋全球。北斗一代可以同時提供導(dǎo)航和通信服務(wù)，并且在中國已經(jīng)成功應(yīng)用；2012年，北斗二代向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)。隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，可以接收多個頻率信號的衛(wèi)星接收天線得到了廣泛的關(guān)注。導(dǎo)航衛(wèi)星信號要求導(dǎo)航終端天線具有良好的右旋圓極化特性[1]。為了滿足各種需求，寬帶、多頻段、小型化等不同性能的天線成為了主流趨勢。

微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低和容易集成等特點。隨著科技的發(fā)展，多頻段天線已經(jīng)成為了研究的熱點。然而大多數(shù)天線只能覆蓋單個頻段[2-5]。參考文獻[3]中提出的天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3頻段。但是，該天線尺寸大、厚度厚，而且有較復(fù)雜的饋電網(wǎng)。同時，文獻中給出的天線設(shè)計多考慮天線自身的電性能實現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計及不同載體的要求卻很少顧及，如天線的載體限制尺寸等。

超材料(Metamaterials)是一類具有自然界中材料所不具備的超長物理性質(zhì)的等效均勻人工復(fù)合結(jié)構(gòu)(復(fù)合材料)[6]。超材料是由人工構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)組成的，以等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率描述其整體電磁特性。為了方便介紹，本文把磁導(dǎo)率設(shè)為橫坐標，介電常數(shù)設(shè)為縱坐標，理論上存在的媒質(zhì)空間按磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的正負關(guān)系劃分在4個象限中[7]，如圖1所示。

1 天線設(shè)計

1.1 單頻天線的設(shè)計

本文設(shè)計的單頻天線工作在1.575 GHz(GPS L1)頻段，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。輻射貼片的切角是為實現(xiàn)圓極化輻射，調(diào)整貼片尺寸可以改變天線的工作頻率。天線介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65、厚度為3 mm，接地板尺寸為76 mm×76 mm，貼片大小為56 mm×56 mm，貼片對角處切掉兩個等腰三角形，這兩個等腰三角形的腰的尺寸為6 mm×6 mm，采用50 Ω的同軸線饋電，饋電點距中心距離為11 mm。

分析可得，天線仿真的反射系數(shù)為-15.03 dB，帶寬為58.3 MHz，實物的反射系數(shù)為-23.5 dB，帶寬為26.3 MHz。如圖3所示，通過方向圖可看出天線為右旋圓極化輻射。

1.2 超材料結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)提取

如圖4所示，將超材料結(jié)構(gòu)單元放入長方體仿真區(qū)域的中間，前后表面距離端口距離相等，仿真區(qū)域其余部分為真空，長方體上下表面設(shè)為電壁邊界條件，左右表面設(shè)為磁壁邊界條件。這種邊界條件模擬了TEM波穿過材料樣品的情形[8]。平面波由端口1、2激勵產(chǎn)生，通過仿真可得端口1和2處S11和S21參數(shù)的實部和虛部，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，可得超材料結(jié)構(gòu)單元的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。其中，圖5(a)中超材料結(jié)構(gòu)單元具體尺寸為：a=15.24 mm；b=0.762 mm。

對圖5分析可得，在1.2 GHz～1.4 GHz中，相對介電常數(shù)為正，相對磁導(dǎo)率為負。因此，可以判定此結(jié)構(gòu)單元為磁負材料。

1.3 加載超材料的雙頻天線

對單頻天線的接地板上加載兩個設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元，天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。結(jié)構(gòu)單元距橫軸的距離為1 mm，距縱軸的距離為1.27 mm。天線采用單饋的饋電方式，產(chǎn)生一個頻率。然后利用超材料結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用產(chǎn)生另外一個頻率。

2 天線的仿真分析

由圖7可得，天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩個頻段。兩個頻點處的S11分別為-16.8 dB和-19.4 dB。從方向圖可以得出，它們均為右旋圓極化輻射；在-90°≤θ≤90°，軸比均小于3 dB；在仰角為5°時，天線的增益分別為-3 dB和-3.05 dB(滿足標準仰角5°時G≥-5 dB)。以上結(jié)果均滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線，并且加工了實物，仿真結(jié)果與實物測試結(jié)果基本一致。本文還設(shè)計了一款在1.2 GHz～1.4 GHz表現(xiàn)磁負特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。在單頻天線的接地板上加載兩個設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中高頻段還是由天線自身產(chǎn)生的，低頻段是由于超材料結(jié)構(gòu)單元的作用激發(fā)產(chǎn)生的。

[1] Liu Jiyu. GPS satellite navigation principles and methods (Second Edition)[M]. USA: Science Press, 2008.

[2] CHEN W S, WU C K, WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001,49(3): 340-342.

[3] Li Jianxing, Shi Hongyu, Li Hang, et al. Quad-band probe-fed stacked annular patch antenna for GNSS applications [J]. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2014,13(9): 372-375.

[4] DOUST E G, CLENET M, HEMMATI V, et al. An aperturecoupled circularly polarized stacked microstrip antenna for GPS frequency bands L1, L2, and L5[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, AP-S 2008, IEEE, 2008: 1-4.

[5] LEE Y J, GANGULY S, MITTRA R. Multi-band L5-capable GPS antenna with reduced backlobes [C]. Antennas and Propagation Societh International Symposim, 2005 IEEE, 2005, 1A:438-441.

[6] 楊天陽．太赫茲頻譜可重構(gòu)MEMS超材料研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2014.

[7] ZHU J， ELEFTHERIADES G V. Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications [J]. Electronics Letters, 2009, 45：1104-1106.

[8] 陳曦．超材料的電磁特性與應(yīng)用研究[D]．長沙：國防科技大學(xué)，2013．

[9] YE J，CAO Q. Design and analysis of a miniature metamaterial microstrip patch antenna [C]. Technology (iWAT), International Workshop on, 2011：290-293.

[10] JOHN K K A， ABRAHAM J， MATHEW T. Dual band dipole antenna for RFID/WSN applications [C]. Electronics and Communication Systems(ICECS), International Conference on, 2014：1-3.

A new antenna design for the navigation system loaded with metamaterial structure

Wang Lili1，Ma Jie2，Dong Pei1

(1. Department of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

In this paper, a single-frequency antenna working at 1.575 GHz and a metamaterial structure working at 1.2 GHz～1.4 GHz are designed. Loading two metamaterial structures to the ground plane of single-frequency antenna, the new antenna can work at 1.26 GHz and 1.575 GHz. The higher frequency is caused by the antenna itself, the lower frequency is caused by the metamaterials. The antenna has the characteristics of the compact, frequency, small size, easy processing and so on. The single-frequency antenna has processed the material object, and the simulation result agrees basically well with measured result.

dual-band; metamaterials; navigation system

N945.12

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.008

王麗黎，馬杰，董培.一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(5)：24-26.

2016-11-07)

王麗黎(1968-)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電磁場與微波技術(shù)。

馬杰(1995-)，男，本科生，主要研究方向：光電信息技術(shù)。

董培(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：天線設(shè)計。