北斗二代導(dǎo)航天線的仿真與研究

【摘要】北斗導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，屬于國家整體發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。本文應(yīng)用仿真軟件，介紹了北斗二代導(dǎo)航天線的設(shè)計與仿真。此天線由不同介電常數(shù)的介質(zhì)組成，并分析了其特點，文中給出了北斗二代導(dǎo)航天線的詳細(xì)設(shè)計及仿真結(jié)果。

【關(guān)鍵詞】 北斗導(dǎo)航 天線

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國重要的戰(zhàn)略基礎(chǔ)設(shè)施，是國家科技水平和綜合國力的重要體現(xiàn)。隨著北斗導(dǎo)航天線技術(shù)的發(fā)展，對于終端微帶天線的尺寸和性能提出了更高的要求。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對微帶天線小型化技術(shù)已做了廣泛而深入的研究。其中，減小微帶天線尺寸的小型化設(shè)計主要采用高介電常數(shù)的介質(zhì)，但是微帶天線的增益和帶寬會隨著的介電常數(shù)的增大而減?。徊捎枚搪诽结?，可以在很大程度上減小貼片尺寸，但是短路探針和饋電探針之間距離很近，對輸人阻抗的特性影響非常敏感，不易加工和調(diào)試，因此限制了其使用范圍。

一、北斗導(dǎo)航天線設(shè)計要點

微帶天線的設(shè)計主要根據(jù)設(shè)計要求選擇天線的基板材料，確定天線的基本結(jié)構(gòu)，包括天線尺寸和天線的饋電形式，最后分析各種因素對天線性能的影響，調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)，最后設(shè)計出符合設(shè)計要求的天線。

1.1基板材料

根據(jù)給定的工作頻率和技術(shù)指標(biāo)選取適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)基板并確定其厚度。這是因為基板材料的和tanδ值及其厚度h直接影響著微帶天線的一系列性能指標(biāo)。工作于主模TM01模矩形微帶天線的貼片長度L近似為 /2，為介質(zhì)內(nèi)波長。，為自由空間波長，為有效介電常數(shù)，可表示為[1] [2] 。

可見貼片長度L值與直接相關(guān)。當(dāng)天線長度L和寬度W取定后，則厚度h的取值決定著天線的體積和重量。顯然當(dāng)要求天線工作于較低頻段時，如果安裝面積和體積重量有限制，應(yīng)選用較大的基板。

1.2確定單元寬度W

由公式（1.1）可知當(dāng)和h已知時取決于W，而單元長度L的尺寸又取決于，因此W的尺寸應(yīng)首先確定。W的尺寸還影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻及輸入阻抗，從而也就影響著頻帶的寬度和輻射效率。另外，W的尺寸直接的支配著微帶天線的總尺寸。在尺寸允許的條件下W取的適當(dāng)大些對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當(dāng)W尺寸大于下式給出的值時將產(chǎn)生高次模，從而引起場的畸變[3]：

式中c是光速，是諧振頻率。由上式可知W總是取小于的值。

1.3確定單元長度L

矩形微帶天線的長度L理論上取，但實際上由于邊緣場的影響應(yīng)取：

二、仿真結(jié)果分析

在HFSS仿真工具中建立模型，諧振頻率在B1頻段為1561.098MHz，帶寬為4.092MHz，根據(jù)上節(jié)內(nèi)容，經(jīng)過初步估算后，確定天線的基本結(jié)構(gòu)，得到天線的基本參數(shù)如下：選擇基板介電常數(shù)=20.5，介質(zhì)板厚度為h=2mm。根據(jù)上節(jié)公式依次計算得出：W=29.2mm，λ0=192.1mm，L=22.45mm。根據(jù)微帶天線的原理設(shè)計，加工了一副單饋電點北斗天線。圖1為天線的結(jié)構(gòu)模型和天線的S11參數(shù)，圖2為天線E面圖和H面圖。

從上圖可以看出，在要求的帶寬內(nèi)，天線端口的回波損耗在工作頻段內(nèi)都小于-10dB，它基本涵蓋了衛(wèi)星信號的99%以上的頻譜能量。

由圖3可見，在XOZ面內(nèi)3dB軸比波束寬度：在1561.098MHz時為-61°～57°。從圖中可以看出，天線在討論的工作頻帶具有較好的端口匹配、方向圖和軸比。

另外，我們再來研究下低介電常數(shù)情況下天線的仿真情況。在CST仿真工具中建立模型，諧振頻率在頻段為1561.098MHz，經(jīng)過上節(jié)公式初步估算后，確定天線的基本結(jié)構(gòu)，如圖4所示天線的結(jié)構(gòu)模型，天線的一些基本參數(shù)如下：選擇基板介電常數(shù)=2.33，介質(zhì)板厚度為=0.7mm。根據(jù)仿真計算，得出天線的E面圖和H面圖，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，滿足設(shè)計要求。

三、結(jié)論

本文應(yīng)用微波仿真軟件對北斗微帶天線進(jìn)行了分析與設(shè)計，此天線不僅右旋圓極化性能良好，結(jié)構(gòu)簡單，還可以簡化制作過程、加快開發(fā)進(jìn)度、縮短研發(fā)周期等。當(dāng)前我國的北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大的挑戰(zhàn)，為了縮小差距迎頭趕上，我們必須加大北斗產(chǎn)業(yè)的技術(shù)開發(fā)和積累，本文對于北斗天線方面的研究不僅具有一定的理論價值，也有重要的工程意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] IJ.鮑爾P.布哈蒂亞著.微帶天線.北京：電子工業(yè)出版杜，1985

[2] 張鈞，劉克誠.微帶天線理論與工程.北京：國防工業(yè)出版社，1988

[3] Ramesh Garg，Praksh Bhartia，Inder Bahl et al.Microstrip antenna design handbook.Artech housepress.2001