小型雙頻圓極化微帶天線

摘 要：隨著衛星組合導航技術的發展，可同時接收多個頻段信號的衛星接收天線的設計得到了廣泛重視。設計了一種雙頻圓極化微帶天線，該天線能夠工作在GPS的L1(1.575 GHz)頻段和RNSS B3(1.268 GHz)頻段。該天線雙層貼片之間采用相同的介電常數，天線使用單個探針饋電。與常規的雙頻圓極化微帶天線相比，該天線在兩層貼片之間沒有空氣層，因此天線尺寸小，結構更加緊湊，便于加工。

關鍵詞：雙頻段；圓極化；微帶天線；軸比

中圖分類號：TN82 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0508702

A Compact Dual-frequency Circularly Polarized Microstrip Antenna

WANG Qian，XI Xiaoli

(School of Automation and Information Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an，710048，China)

Abstract：With the development of integrated navigation system technique，many people pay much attention to the antenna which can work at multi-frequency simultaneity.A dual-frequency circularly polarized microstrip antenna working at L1 band of the GPS 1.575 GHz and RNSS B3 band 1.268 GHz is designed in this paper.The medium between the two patches of the antenna is the same and the antenna is fed by a single probe.Compared with the conventional dual-frequency circularly microstrip antenna，there isn′t an air-gap layer between two patches，the size of the antenna is reduced and the structure is compact.The antenna is easy to fabricate.

Keywords：dual-frequency;circular polarization;microstrip antenna;axial ratio

1 引 言

由于微帶天線的尺寸小、成本低、易加工的諸多特點，微帶天線在衛星通信及衛星導航領域得到廣泛使用。近年，隨著多模衛星組合導航技術的發展，可同時接收多個頻段信號的衛星接收天線的設計得到了廣泛重視。微帶天線多數加工在高介電常數的介質上，這種天線在低仰角性能好，并且帶寬較寬，同時具有良好的廣角圓極化特性。微帶天線的雙頻化方法很多，根據不同形狀的微帶天線，實現雙頻的方式也不同。若用單饋點方式實現雙頻化，一般有兩種方式：一種是使用一塊貼片，如通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模的場分布，進而使諧振頻率受到干擾，最終實現雙頻或者多頻工作^[1，2]，另一種是使用雙層貼片^[3]。但是通常的報道中，雙層貼片天線要么加工在不同的介質上，要么加工在同一種介質上時，引入了空氣層，使得加工不便，并且增大了尺寸^[4，5]。

[JP2]本文設計了一種可同時工作在GPS的L1(1.575 GHz)頻段和RNSS B3(1.268 GHz)頻段的雙頻圓極化微帶天線，天線通過單個探針饋電，雙層正方形切角的微帶貼片天線印制在相同介電常數的介質上，與一般的雙層圓極化微帶貼片天線相比，由于沒有在兩層貼片之間引入空氣層，兩層之間的介電常數也相同，從而天線的尺寸變小了，天線結構緊湊，更加便于生產加工。

2 天線模型

2.1 單饋點圓極化雙頻微帶天線

單饋點無需任何移相網絡和功率分配器就可以實現圓極化輻射。他基于空腔模型理論，利用兩個輻射正交極化波的簡并模，并在腔體內引入某種不對稱性，以便消除這兩個模的簡并性。單饋點圓極化微帶天線的幾何結構有(準)方形、(橢)圓形及多邊形等多種形式^[6]。

[JP2]圖1是單饋點方形圓極化微帶天線的示意圖。這種后饋式單饋點圓極化微帶天線是通過天線基片背面一點饋電，在A型中把饋點F放置在x軸上，在B型中把饋電點設定在對角線上，通過附加簡并分離單元ΔS來解出簡并模的衰減。簡并分離單元的符號在A型中取為負(ΔS<0)，在B型中取為正(ΔS>0)。對于A型|ΔS/S|=1/2Q；對于B型|ΔS/S|=1/Q，其中Q為微帶天線的品質因數^[6]。

本文所設計的天線采用雙層貼片，上、下層貼片均加工在厚度為3 mm，介電常數為9.2的介質材料上，如圖2所示。

探針直接穿過下層微帶貼片天線的過孔連接到上層微帶貼片天線上，下層微帶貼片天線是上層微帶貼片天線的寄生單元，不用單獨饋電，通過上層天線電磁耦合饋電。雙頻天線的諧振頻率由上、下層微帶貼片的大小決定：

其中，c為自由空間中的光速，L為微帶貼片天線的實際長度，Δl是由邊緣效應引起的電納可用延伸長度，εr為微帶天線介質板的相對介電常數。微帶天線的圓極化輻射通過選擇正方形切角的大小來實現^[6，7]。

2.2 天線方向圖和S參數的計算

計算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS軟件。饋源使用微波端口，加在同軸線的端口上，求解頻率設置為1.57 GHz，在1~2 GHz之間使用快速掃頻。

計算采用自適應求解過程，迭代次數設為6，每次計算要比前次計算所剖分的網格數增加20%，2次計算得到的S參數的幅度和相位改變量小于0.2或計算滿6次，則求解結束。計算所得的S參數反映了輸入端口能量的反射及能量的利用率。軸比則反映了天線輻射圓極化波的性能。

3 天線的仿真結果

雙頻天線的S參數、方向圖以及各個頻段的軸比分別如圖3~圖5所示。

從圖3中可以看出，天線能夠很好地工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。在這兩個波段上，天線的S參數均小于-12 dB，從而能夠完成接收衛星信號的功能。

圖4表明天線在工作頻段有良好的方向性和增益，能夠盡可能地接收來自衛星的信號。

由圖5(a)可以看出，天線工作在1.27 GHz時，在-70°~70°之間的軸比小于3.5，當天線工作在1.57 GHz時，天線從-70°~90°的軸比都小于3.5，基本能夠滿足GPS系統對天線軸比的要求。

4 結 語

本文設計了一個雙頻段圓極化微帶天線，該天線能夠工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。該天線選用同種介電常數的材料，采用單饋點的方式，使得微帶天線能夠工作在雙頻，與常規的微帶雙頻天線相比，因為在兩層微帶天線之間沒有引入空氣層，該天線具有體積小的優點，而且天線的兩層使用了同種材料，也便于加工。同時本文的設計方法可應用于其他雙頻及多頻天線的設計。

參考文獻

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作者簡介

王 騫 男，1983年出生，西安理工大學碩士研究生。研究方向為天線設計。

席曉莉 女，1976年出生，陜西人，副教授。研究方向包括電波傳播、天線設計、電磁波生物應用和電磁場數值計算等。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”