一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)設(shè)計(jì)

王麗黎，馬 杰，董 培

(1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)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(xiàn)設(shè)計(jì)

王麗黎1，馬 杰2，董 培1

(1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)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(jì)了一款工作在1.575 GHz的單頻天線(xiàn)和一款在1.2 GHz～1.4 GHz表現(xiàn)磁負(fù)特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。對(duì)單頻天線(xiàn)接地板加載兩個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線(xiàn)工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中，較高的諧振頻率是由天線(xiàn)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(xiàn)具有結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、體積小、易于加工等特點(diǎn)。單頻天線(xiàn)加工了實(shí)物，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)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(zhuān)業(yè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)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(wú)線(xiàn)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(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國(guó)的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已經(jīng)覆蓋全球。北斗一代可以同時(shí)提供導(dǎo)航和通信服務(wù)，并且在中國(guó)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(gè)頻率信號(hào)的衛(wèi)星接收天線(xiàn)得到了廣泛的關(guān)注。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)要求導(dǎo)航終端天線(xiàn)具有良好的右旋圓極化特性[1]。為了滿(mǎn)足各種需求，寬帶、多頻段、小型化等不同性能的天線(xiàn)成為了主流趨勢(shì)。

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

超材料(Metamaterials)是一類(lèi)具有自然界中材料所不具備的超長(zhǎng)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(biāo)，介電常數(shù)設(shè)為縱坐標(biāo)，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(fù)關(guān)系劃分在4個(gè)象限中[7]，如圖1所示。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 單頻天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的單頻天線(xiàn)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(shí)現(xiàn)圓極化輻射，調(diào)整貼片尺寸可以改變天線(xiàn)的工作頻率。天線(xiàn)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(duì)角處切掉兩個(gè)等腰三角形，這兩個(gè)等腰三角形的腰的尺寸為6 mm×6 mm，采用50 Ω的同軸線(xiàn)饋電，饋電點(diǎn)距中心距離為11 mm。

分析可得，天線(xiàn)仿真的反射系數(shù)為-15.03 dB，帶寬為58.3 MHz，實(shí)物的反射系數(shù)為-23.5 dB，帶寬為26.3 MHz。如圖3所示，通過(guò)方向圖可看出天線(xiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)材料樣品的情形[8]。平面波由端口1、2激勵(lì)產(chǎn)生，通過(guò)仿真可得端口1和2處S11和S21參數(shù)的實(shí)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(duì)介電常數(shù)和相對(duì)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(duì)圖5分析可得，在1.2 GHz～1.4 GHz中，相對(duì)介電常數(shù)為正，相對(duì)磁導(dǎo)率為負(fù)。因此，可以判定此結(jié)構(gòu)單元為磁負(fù)材料。

1.3 加載超材料的雙頻天線(xiàn)

對(duì)單頻天線(xiàn)的接地板上加載兩個(gè)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元，天線(xiàn)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(xiàn)采用單饋的饋電方式，產(chǎn)生一個(gè)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(gè)頻率。

2 天線(xiàn)的仿真分析

由圖7可得，天線(xiàn)工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩個(gè)頻段。兩個(gè)頻點(diǎn)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(shí)，天線(xiàn)的增益分別為-3 dB和-3.05 dB(滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)仰角5°時(shí)G≥-5 dB)。以上結(jié)果均滿(mǎn)足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款工作在1.575 GHz的單頻天線(xiàn)，并且加工了實(shí)物，仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果基本一致。本文還設(shè)計(jì)了一款在1.2 GHz～1.4 GHz表現(xiàn)磁負(fù)特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。在單頻天線(xiàn)的接地板上加載兩個(gè)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線(xiàn)工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中高頻段還是由天線(xiàn)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(yáng)．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(zhǎng)沙：國(guó)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(xiàn)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)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(chǎng)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(xiàn)設(shè)計(jì)。