一種新型低剖面雙頻微帶導航天線

張艷梅,李 峰,吳嬋娟,丁 靜

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

一種新型低剖面雙頻微帶導航天線

張艷梅,李 峰,吳嬋娟,丁 靜

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

設計了一種可以同時工作在BD2 B3與GPS L1頻段的低剖面微帶導航天線,采用多調諧回路技術實現了天線雙頻工作。該天線方便調試與實現,可以應用于要求天線剖面較低的載體。

寄生貼片；調諧回路；低剖面；導航系統；微帶

0 引言

微帶天線因為體積小、質量小、低剖面的優點被現代移動通信技術以及作戰系統所追捧,但是隨著多頻段的要求越來越多,單層微帶貼片天線頻帶較窄的缺點限制了其應用[1]。文獻[2-5]中,依靠疊層或者多層介質板來實現多頻段工作,嚴重削弱了微帶天線剖面低這一優點,因為疊層勢必增加微帶天線的高度。近幾年,很多技術人員對微帶天線的多頻段工作做了很多的努力,包括厚基板法[6-7]、寄生元法[8]、疊層法[9]等,但這些方法都無一例外地增加了天線的高度,并沒有在低剖面方面達到理想的效果。因此,運用新的設計方法來實現微帶天線多頻工作的問題變得非常迫切。

本文研究通過寄生貼片產生雙頻段的工作特性,但是與文獻[8]不同之處在于其在一層介質基板上同時實現2個常用的導航頻段,大大降低了天線的整體高度,達到了微帶天線真正的多頻低剖面的效果,能夠更加廣泛地應用到對高度要求嚴苛的情況中。

本文采用的寄生貼片法屬于一種調諧回路。微帶天線是一種諧振式工作的天線,依靠微帶天線貼片和金屬基板之間的諧振,工作在特定的工作頻點。根據微帶的空腔模型法理論可以得知,微帶天線貼片和寄生貼片可以等效為一個RLC并聯諧振電路。通過調整微帶天線貼片和寄生貼片之間的耦合度,可以在該并聯諧振電路中出現雙調諧峰,即微帶天線的2個工作頻段,從而使微帶天線的帶寬得到擴展。如圖1所示,調整寄生單元的外形尺寸及其與饋電單元之間的距離,可以出現2個不同的工作頻率,實現常用導航頻段的工作特性,該結構可以實現約10%的阻抗帶寬[10]。

圖1 共面寄生貼片Fig.1 Coplanar parasitic patch

1 天線建模

1.1 微帶天線原理

根據微帶天線理論[11],貼片單元寬度w的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數、輻射阻抗及輸入阻抗。考慮到要兼顧輻射效率和避免產生高次模,通常要求寬度w滿足式(1)的要求

(1)

1.2 天線建模

由式(1)初步計算,中心貼片的輻射在εr=6.0的情況下,邊長w=47,天線結構如圖2所示。采用單層介質,最上層是貼片,中心貼片的邊長為w,四周寄生貼片的長為L1,寬為W1。中間層為微波復合介質板,采用國產泰州旺靈的TP-2板材,其介電常數為6.0,厚度為h,最下層為天線的金屬基板。

(a)俯視圖(a) Top view

(b)側視圖(b) Side view圖2 天線結構Fig.2 Antenna geometry

微帶天線圓極化的實現方法主要有單饋微擾法、多饋法、多元法以及多陣元法[12-14],本設計采用多饋法中的正交90°饋電方法,在中心貼片通過2個幅度相等相位相差90°的饋電點饋電,實現導航天線的右旋圓極化[15-16],在保證工作帶寬的情況下盡量做到結構簡單,可實現性高。

2 仿真分析

在設計天線時,要考慮接地板的大小,采用合理的接地板尺寸能夠得到更好的天線性能,本文設計的天線接地板大小為某型導航天線的接地板尺寸,為兩款天線實物的性能比較做準備。采用同軸線饋電方式。因為饋電點位置的改變能夠改變天線的輸入阻抗,從而可以實現頻率的輕度調諧,所以適當調整天線的饋電點位置能夠使天線有較好的阻抗匹配。本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真軟件進行建模仿真,中間貼片的邊長w確定了該天線的一個工作頻點BD2 B3的1268.52MHz。邊長w越長,頻點越向低頻偏移,w越短,頻點越向高頻偏移,四周寄生貼片的長L1和寬W1確定了寄生頻點的GPS L1。通過進一步仿真和優化確定下來的尺寸為w=45mm,L1=44.8mm,W1=6mm, 圖3所示為軟件中的仿真模型。

圖3 天線仿真模型Fig.3 The simulated antenna model

圖4～圖9給出了該仿真模型的仿真性能曲線。

圖4中,為從2個饋電點分別仿真出該天線的反射系數,可以看出,2個饋電點激勵的天線貼片都能很好地工作在BD2 B3的工作頻點,天線的反射系數S11小于-10dB。

圖5中,在BD2 B3頻點,該天線的頂向增益為5.4dB。圖6中,該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導航天線對天線方向圖的要求。

圖7中,從2個饋電點分別仿真出該天線的反射系數,可以看出,2個饋電點激勵的天線貼片都能很好地工作在GPS L1的工作頻點,天線的反射系數S11小于-10dB。

圖8中,在GPS L1頻點,該天線的頂向增益為3.3dB。圖9中,該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導航天線對天線方向圖的要求。

圖4 BD2 B3的工作頻點反射系數Fig.4 The return loss for the antenna at BD2 B3

圖5 BD2 B3的E面方向圖Fig.5 The radiation pattern for the antenna at BD2 B3

圖6 BD2 B3的三維立體方向圖Fig.6 The 3D radiation pattern for the antenna at BD2 B3

圖7 GPS L1的工作頻點反射系數Fig.7 The return loss for the antenna at GPS L1

圖8 GPS L1的E面方向圖Fig.8 The radiation pattern for the antenna at GPS L1

圖9 GPS L1的三維立體方向圖Fig.9 The 3D radiation pattern for the antenna at GPS L1

3 實物制作

用HFSS 13.0進行仿真分析后,對該模型進行加工,并與某型導航天線進行了室外收星實驗對比,與某型導航天線的BD2 B3頻點以及GPS L1頻點定位的經緯高精度水平相當,詳見圖10及圖11。

圖10 加工實物圖Fig.10 Processing real figure

圖11 實物裝配圖Fig.11 The prototype for the antenna

實物制作中,因為存在板材的厚度以及板材本身介電常數的誤差,會導致天線實際工作頻點偏離設計頻點,通過對貼片以及寄生貼片的切割可以實現頻率校正,使之與設計值匹配。圖12、圖13所示為使用矢量網絡分析儀E5061B測量的該天線實物的反射系數,從圖12可以看出,原天線貼片在未經調試時,工作頻點為1.270GHz,通過切割天線貼片表面的敷銅層圖形,將該天線的工作頻點調試為1.26852GHz。

圖12 實物天線在BD2 B3頻點的反射系數Fig.12 Measured return loss for the antenna at BD2 B3

圖13 實物天線在GPS L1頻點的反射系數Fig.13 Measured return loss for the antenna at GPS L1

圖14中,左邊為某型BD2 B3和GPSL1雙頻導航天線,右邊為本文研究設計的低剖面雙頻導航天線,通過對比可以看出,在不改變天線安裝形式的情況下,天線高度減少至少一個天線貼片的厚度4mm,該設計中的天線能夠應用在對高度要求更加苛刻的環境中。

圖14 兩款天線的對比圖Fig.14 Contrast of two antenna

4 結論

隨著通信技術的發展, 對低剖面多頻帶天線的需求將會越來越多。本文設計的低剖面雙頻微帶導航天線簡化了天線結構,大大降低了天線的高度,能夠更加靈活地應用于多頻段的導航系統中。

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A New Low Profile Dual-frequency Micro-strip Antenna for Navigation System

ZHANY Yan-mei, LI Feng, WU Chan-juan, DING Jing

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

A new low profile micro-strip antenna which is able to work at BD2 B3 and GPS L1 for navigation system is designed. By using of multi-tuning loop,dual-frequency operation of antenna which is easy to adjust and implement is achieved. The proposed antenna can be used on various platforms which has more requirements of low profile antenna.

Parasitic patch; Tuning loop; Low profile; Navigation system; Micro-strip

2016-12-17；

2017-01-18

張艷梅(1984-)女,碩士,中級工程師,主要從事導航天線方面的研究。E-mail: zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.010

U666.12

A

2095-8110(2017)02-0053-05