北斗二代導航天線的仿真與研究

【摘要】北斗導航產業作為戰略性產業，屬于國家整體發展戰略的重要組成部分。本文應用仿真軟件，介紹了北斗二代導航天線的設計與仿真。此天線由不同介電常數的介質組成，并分析了其特點，文中給出了北斗二代導航天線的詳細設計及仿真結果。

【關鍵詞】 北斗導航 天線

衛星導航系統是我國重要的戰略基礎設施，是國家科技水平和綜合國力的重要體現。隨著北斗導航天線技術的發展，對于終端微帶天線的尺寸和性能提出了更高的要求。因此，國內外學者針對微帶天線小型化技術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計主要采用高介電常數的介質，但是微帶天線的增益和帶寬會隨著的介電常數的增大而減小；采用短路探針，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，不易加工和調試，因此限制了其使用范圍。

一、北斗導航天線設計要點

微帶天線的設計主要根據設計要求選擇天線的基板材料，確定天線的基本結構，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，調整天線的結構，最后設計出符合設計要求的天線。

1.1基板材料

根據給定的工作頻率和技術指標選取適當的介質基板并確定其厚度。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。工作于主模TM01模矩形微帶天線的貼片長度L近似為 /2，為介質內波長。，為自由空間波長，為有效介電常數，可表示為[1] [2] 。

可見貼片長度L值與直接相關。當天線長度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，應選用較大的基板。

1.2確定單元寬度W

由公式（1.1）可知當和h已知時取決于W，而單元長度L的尺寸又取決于，因此W的尺寸應首先確定。W的尺寸還影響著微帶天線的方向性函數、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取的適當大些對頻帶、效率及阻抗匹配都有利，但當W尺寸大于下式給出的值時將產生高次模，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?。?/p>

二、仿真結果分析

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，根據上節內容，經過初步估算后，確定天線的基本結構，得到天線的基本參數如下：選擇基板介電常數=20.5，介質板厚度為h=2mm。根據上節公式依次計算得出：W=29.2mm，λ0=192.1mm，L=22.45mm。根據微帶天線的原理設計，加工了一副單饋電點北斗天線。圖1為天線的結構模型和天線的S11參數，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，天線端口的回波損耗在工作頻段內都小于-10dB，它基本涵蓋了衛星信號的99%以上的頻譜能量。

由圖3可見，在XOZ面內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，經過上節公式初步估算后，確定天線的基本結構，如圖4所示天線的結構模型，天線的一些基本參數如下：選擇基板介電常數=2.33，介質板厚度為=0.7mm。根據仿真計算，得出天線的E面圖和H面圖，仿真結果如圖4和圖5所示，滿足設計要求。

三、結論

本文應用微波仿真軟件對北斗微帶天線進行了分析與設計，此天線不僅右旋圓極化性能良好，結構簡單，還可以簡化制作過程、加快開發進度、縮短研發周期等。當前我國的北斗產業發展面臨巨大的挑戰，為了縮小差距迎頭趕上，我們必須加大北斗產業的技術開發和積累，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

[1] IJ.鮑爾P.布哈蒂亞著.微帶天線.北京：電子工業出版杜，1985

[2] 張鈞，劉克誠.微帶天線理論與工程.北京：國防工業出版社，1988

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