北斗S波段分形微帶陣列天線的設計

陳夏寅，彭菊紅，王旭光，邱桂霞，楊維明

(湖北大學 計算機與信息工程學院，湖北 武漢 430062)

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主研發的全球衛星定位與通信系統，已進入逐步應用階段。隨著各導航終端的日益發展，對終端天線的性能也提出了更高的要求，因而對北斗圓極化天線高性能的研究成為熱點。陣列天線可提高增益[1]，得到很好的方向性，在實際設計中也被廣泛使用[2]，但傳統的微帶陣列天線仍存在增益不高等缺點[3]。而分形天線具有寬頻帶、多頻工作等優點，在微帶天線的設計中得到廣泛應用[4]；文獻[5]設計的介質埋藏微帶八木天線結構，天線增益較高，但尺寸較大；文獻[6]設計的基于分形技術的超寬帶天線，結構較緊湊，帶寬較寬，但增益不高；頻率為2.49 GHz，最大輻射方向增益不低于5 dB；回波損耗低于-20 dB。文獻[7]設計了六邊形環和缺陷地結構的寬頻帶多頻微帶天線，天線尺寸較小，增益較高，但結構較復雜，圓極化性能不高。

本文設計的微帶陣列天線，采用四元饋電法。引入Sierpinski地毯分形技術能夠讓每個微帶貼片單元在保證別的參數達標的狀態下略微減小尺寸，同時每個微帶貼片單元在外觀上具有一定的視覺效應，起到了裝飾的效果[8]。結合類似Koch鋸齒分形技術對諧波抑制進行優化，通過HFSS仿真軟件對該天線性能進行仿真及優化，仿真結果表明該天線陣列具有較好的方向性和增益性能。

1 天線結構設計及優化

陣列天線具有較高的增益，在導航系統中有廣泛的應用[9]，本文以四單元陣列天線結構的設計為例，并引入Sierpinski地毯分形實現寬頻帶特性且略微減少每個貼片單元的尺寸[10]，再結合類似Koch鋸齒分形技術實現了對高次諧波和雜波干擾的抑制，最后可以得到一個具有寬頻帶、高增益、方向性極好的陣列天線。

為適合北斗導航系統的工作范圍，微帶天線的設計指標為：工作頻帶為S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系統要求微帶天線的極化方式是右旋圓極化[11]，為此本文采用四元饋電網絡。為保證輸出圓極化波，則需要設計4個幅度相等，相位依次為0°、90°、180°和270°的激勵信號，各段之間可通過阻抗匹配原理[12]進行匹配。

1.1 微帶貼片單元設計

微帶天線貼片單元結構與仿真如圖1所示。

圖1 微帶天線貼片單元結構與仿真

微帶天線的貼片結構如圖1(a)所示，根據理論分析，微帶貼片單元的長L=37.26 mm ，線寬W=36.21 mm；1/4阻抗轉換器的微帶線長L1=15.6 mm，線寬W1=1.16 mm；50 Ω微帶線長L2=16.37 mm，線寬W2=3.06 mm；介質板材選用FR4，εre=4.4 ，h=1.6 mm，天線使用微帶線饋電,通過HFSS得到的天線的性能仿真曲線如圖1(b)和圖1(c)所示，從圖中可以看出，回波損耗S11低于 -24 dB，增益達到3.87 dB。

1.2 微帶貼片單元的優化

Sierpinski分形結構有2個顯著特點：① 工作在多頻段；② 減少微帶貼片的尺寸。其常見形式有三角分形和毛毯分形，本文對微帶貼片的優化采用的是毛毯分形的形式，采用三階Sierpinski毛毯分形，將矩形分成9個面積相等的小矩形，然后挖去正中間的一個小矩形，剩余8個單元則構成一階生成元，按這種方式進行迭代3次處理，可獲得三階Sierpinski毛毯分形，結構如圖2(a)所示。通過三階Sierpinski毛毯分形[13]，貼片的長度和寬度均有明顯減少，其中貼片寬度W由36.21 mm縮減至30.15 m，HFSS的仿真結果如圖2(b)所示，回波損耗S11低于-35 dB，性能有所改善。但是分形結構因為部分構造與整個模型以及部分和部分之間因結構的相似,極易產生多個頻點，且諧振點的個數等于分形結構的層次[8]，由此而會產生多個高次諧波的干擾[14]。

圖2 Sierpinski毛毯分形結構與仿真

為抑制因毛毯分形而產生的高次諧波干擾，將矩形微帶天線的兩側采用類似于koch分形的方法，進行鋸齒分形處理，隨著分形階數及所加方形鋸齒數的增加，微帶貼片單元將表現出各種不同的特性[15]。利用HFSS對不同分形階數(n=1～20) 的微帶天線進行仿真分析，發現當n=1或2，微帶貼片單元具有倍頻作用，當n>10時天線除在基頻2.49 GHz處有很好諧振外，高于2.49 GHz的高次諧波分量都得到很好的抑制。通過比較發現當n=16時，天線抑制高次諧波能力最佳，分形微帶天線的單元結構與仿真結果如圖3(b)所示，可見高次諧波得到了較好的抑制。

圖3 類Koch分形結構與仿真

1.3 陣列天線設計

經過優化，得到了一個具有寬頻帶特性且對高次諧波和雜波有很好抑制作用的微帶貼片單元，但其增益降低至1.08 dB，不滿足性能指標，故為提高增益，采用四單元陣列天線結構。

工作頻帶為S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系統要求微帶天線的極化方式是右旋圓極化，為此本文采用四元饋電網絡。為保證輸出圓極化波，則需要設計4個幅度相等，相位依次為0°、90°、180°和270°的激勵信號，各段之間可通過阻抗匹配原理進行匹配。四元陣列天線結構如圖4所示，所組合四單元陣列天線尺寸為125.94 mm*137.02 mm。

圖4 陣列天線的結構

考慮實際應用中，傳輸線會有轉彎部分，在引起反射的同時，相位可能會受影響。因此，在具體設計時對轉角處進行切角處理，并對切角的深度進行參數掃描及優化，得到恰當的尺寸[16]。優化參數后得到分形四元陣列天線的結構如圖5所示，尺寸為125.94 mm*121.16 mm，尺寸比傳統四元陣列有所減小，實現了寬頻帶特性，并可抑制諧波及雜散波。

圖5 分形四元微帶陣列天線結構圖

2 陣列天線的性能仿真及分析

通過HFSS15軟件，對上述設計的分形四元微帶陣列天線的性能進行仿真。工作頻段在S波段，中心頻率在2.49 GHz，介質板材選用FR4，εre=4.4，h= 1.6mm，仿真得到微帶天線陣列的仿真曲線如圖6～圖9所示。

圖6 微帶陣列天線S11仿真

圖7 微帶陣列天線增益的仿真

圖8 微帶陣列天線軸比的仿真圖

圖9 E面和H面法向的軸比曲線

從上述仿真結果可看到，在2.49 GHz處天線的回波損耗S11達到-23.8 dB；陣列天線的增益可達到9.6 dB；在E面(φ=0°)和H面(φ=90°)其3 dB波瓣寬度均為25°，表明天線的方向性較好；帶內軸比約為0.85 dB，法向軸比約為2.4 dB，在-117°～117°范圍內軸比均小于6 dB，實現了圓極化，各項指標達到設計要求。

3 結束語

本文利用三階Sierpinski毛毯分形結構，實現了寬頻帶特性；為抑制微帶天線產生的諧波和雜波干擾，在微帶貼片天線兩側添加類koch的鋸齒分形結構進行了優化。利用HFSS15軟件對所設計的分形陣列天線結構進行仿真及參數優化。結果表明，回波損耗低于-22 dB，增益可達到9.6 dB，具有較好的方向性和圓極化性能，滿足北斗系統天線指標的要求。此類天線用途廣泛，比如一種使用高增益陣列天線的定位系統[17]，同時還適用于飛機、無人機、導彈等裝備的定位，導航以及測速等應用[18]。