一種可用于北斗衛(wèi)星信號(hào)接收的微帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)

摘要：基于微帶天線(xiàn)技術(shù)提出一種應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的新型天線(xiàn)設(shè)計(jì)。該天線(xiàn)采用FR?4襯底上的彎曲微帶和含有通孔的微帶貼片實(shí)現(xiàn)。天線(xiàn)的小型化設(shè)計(jì)可使其更好地應(yīng)用于北斗導(dǎo)航之中。與此同時(shí)，與常規(guī)的天線(xiàn)相比，該天線(xiàn)擁有更好的反射系數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這里設(shè)計(jì)的天線(xiàn)非常適用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)而可應(yīng)用于車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)之中。

關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)； 微帶天線(xiàn)； 天線(xiàn)設(shè)計(jì)； 衛(wèi)星信號(hào)接收

中圖分類(lèi)號(hào)： TN965+.2?34； TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0058?03

0 引 言

中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正在迅速的發(fā)展，并將廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域中。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的民用信號(hào)頻率（L1）為（1 575.42±10） MHz。為了良好地接收北斗系統(tǒng)的信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)的接收天線(xiàn)性能至關(guān)重要。天線(xiàn)的性能受多種因素的制約，例如天線(xiàn)的尺寸，多徑效應(yīng)，帶寬和反射系數(shù)（S11）等等。其中，反射系數(shù)和帶寬是關(guān)鍵性因素。圓極化（Circular Polarization，CP）微帶天線(xiàn)廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks， WLAN），全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System， GPS），移動(dòng)衛(wèi)星，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）等領(lǐng)域[1]。憑借著小尺寸、高性能的優(yōu)勢(shì)，微帶天線(xiàn)亦將在北斗導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的天線(xiàn)設(shè)計(jì)技術(shù)包括陣列天線(xiàn)[2]、螺旋天線(xiàn)[3]和短路環(huán)形貼片（Shorted Annular Patch，SAP）天線(xiàn)[4]。雖然大多數(shù)現(xiàn)有的解決方案可以提供期望的輻射特性，但是尺寸和重量方面的劣勢(shì)導(dǎo)致它們?cè)诤芏嗟膶?shí)際應(yīng)用中不具有可行性。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用三角形貼片的雙頻帶天線(xiàn)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)在三角形貼片的兩個(gè)角上添加了額外的臂長(zhǎng)。其設(shè)計(jì)的小尺寸天線(xiàn)可以覆蓋高頻頻帶，通過(guò)在主體上添加額外的諧振元件，亦可以覆蓋到低頻頻段。此外，文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)的天線(xiàn)通過(guò)采用具有較高介電常數(shù)（[εr=]15.5）、在地平面上嵌入四個(gè)槽的襯底，可以減小天線(xiàn)的尺寸，使天線(xiàn)在雙頻帶的模式下工作。

盡管研究人員提出許多的方法，但是由于信號(hào)接收中心頻率，輻射增益等參數(shù)的原因，現(xiàn)有方法均不能很好地應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。在本文中提出符合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)需求的單頻帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)。

1 基于微帶線(xiàn)技術(shù)的北斗天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

目前用微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化輻射主要有以下四種方法：正交饋電的單片圓極化微帶天線(xiàn)，一點(diǎn)饋電的單片圓極化微帶天線(xiàn)，曲線(xiàn)微帶構(gòu)成的寬帶圓極化微帶天線(xiàn)和微帶天線(xiàn)陣構(gòu)成的圓極化微帶天線(xiàn)。本文采用曲線(xiàn)微帶構(gòu)成的寬帶圓極化微帶天線(xiàn)，其擁有很好的圓極化輻射特性。

本文采用HFSS 軟件進(jìn)行微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)及仿真。本文的天線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。這種新型的雙頻天線(xiàn)采用位于兩個(gè)不同層的微帶的FR4襯底（厚度為1.6 mm，[εr]為4.4）實(shí)現(xiàn)。這兩層的微帶為傳輸介質(zhì)，用于耦合接收信號(hào)。此外，這種設(shè)計(jì)方法可以有效地減小天線(xiàn)的尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)。緊湊的設(shè)計(jì)非常適用于手持式和移動(dòng)設(shè)備。天線(xiàn)的工作頻率（L1波段）可以進(jìn)行調(diào)整，以適用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖1 單頻帶北斗導(dǎo)航系統(tǒng)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

圖2為模擬頻率響應(yīng)，相關(guān)的輻射方向圖如圖3所示。在極化圖上，該信號(hào)非常好，大約在-90°～90°之間，在該區(qū)域，信號(hào)可由本文設(shè)計(jì)的新型天線(xiàn)良好接收。天線(xiàn)的工作頻率在1.575 GHz左右，并擁有較好的27 dB的回波損耗（S11）。

圖2 單頻帶天線(xiàn)的模擬頻率響應(yīng)

圖3 新穎的緊湊型單頻帶天線(xiàn)的輻射圖

天線(xiàn)在立體空間會(huì)向各個(gè)方向輻射出能量，而衡量輻射能量的指標(biāo)是增益。增益即是在輸入功率相等的條件下，也就是實(shí)際天線(xiàn)與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比，可用下式表示：

[G=10lg PrealPideal]

式中變量[G]是天線(xiàn)的輻射增益，[G]值的大小代表該信號(hào)性能的好壞，較大的[G]值說(shuō)明在這個(gè)頻率上信號(hào)較好，而弱[G]值則代表弱信號(hào)。在本天線(xiàn)的設(shè)計(jì)中，要獲得良好的信號(hào)，[G]值通常需要大于3 dB。當(dāng)輸入功率[Pinput]相同的情況下，[Pideal]是在理想的情況下特定位置上的輻射功率，而[Preal]是在同一位置上的實(shí)際輻射功率。由圖3可以看出，增益[G]高于13.40 dB。因此，電場(chǎng)輻射增益足夠強(qiáng)大。根據(jù)輻射增益的理論，本設(shè)計(jì)能滿(mǎn)足應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的良好接收。而且，幾乎在所有方向上，信號(hào)都非常好。所以這種設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用于北斗應(yīng)用系統(tǒng)。工作頻率大約為1.575 GHz，與相關(guān)的協(xié)議匹配。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測(cè)量結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出的天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)中基于FR?4（厚度1.6 mm，[εr=]4.4）襯底實(shí)現(xiàn)。所制造的天線(xiàn)的實(shí)物圖如圖4所示。圖中微帶天線(xiàn)放置在兩個(gè)不同層面上。在兩個(gè)層的微帶可視為用于耦合接收信號(hào)的傳輸介質(zhì)。此外， 此微帶設(shè)計(jì)方法通過(guò)減小尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)的小型化。

圖4 所制作的單頻天線(xiàn)羅盤(pán)的應(yīng)用

本微帶天線(xiàn)所獲得的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖5。可以看出，實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的天線(xiàn)以27 dB的回波損耗工作在1.57 GHz的中心頻率。此外，微帶天線(xiàn)的尺寸非常小，規(guī)格為60 mm×25 mm。測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。

圖5 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的單頻帶天線(xiàn)的頻率響應(yīng)

為了比較本文所提出的方案與現(xiàn)有設(shè)計(jì)的性能，表1列出本文設(shè)計(jì)天線(xiàn)和部分參考文獻(xiàn)中天線(xiàn)的性能比較。由表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的天線(xiàn)的體積最小，僅為60 mm×25 mm。同時(shí)，本設(shè)計(jì)獲得了高達(dá)18.5 dB的輻射增益，且反射系數(shù)（S11）為-22 dB。此外，本文所提出的設(shè)計(jì)可以調(diào)整微帶線(xiàn)的長(zhǎng)度以獲取不同的天線(xiàn)中心頻率。

綜上，本文所提出的天線(xiàn)設(shè)計(jì)方案可以被用于設(shè)計(jì)接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的民用信號(hào)（1.575 GHz），相比于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法，本文所提出的方案有一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 本文中的天線(xiàn)設(shè)計(jì)與其他天線(xiàn)設(shè)計(jì)性能比較

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的天線(xiàn)設(shè)計(jì)。該微帶天線(xiàn)由DGS層和第二層組成。在兩個(gè)層的微帶可視為傳輸介質(zhì)用于耦合接收信號(hào)。測(cè)得的輻射方向圖表明，天線(xiàn)具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、緊湊性、重量輕和成本低等特點(diǎn)，也證明了所提出的天線(xiàn)設(shè)計(jì)的可行性。

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