導航終端多模寬帶微帶天線設計

張平川，孫紅杏，王思捷，朱家義，曲培新，張利偉，許 睿，白林峰

（河南科技學院 信息工程學院，河南 新鄉 453003）

0 引 言

目前全球衛星導航系統GNSS（Global Navigation Satellite System，GNSS）已被應用到軍事及民用等領域，特別是隨著世界主要大國技術的進步，相繼開發投入運行了四款GNSS導航系統，主要包括美國的全球定位系統（Global Position System，GPS）、歐洲的伽利略導航衛星系統（Galileo）、俄羅斯的全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和我國的北斗系列（BEIDOU-1，BEIDOU-2）[1-3]。根據文獻可知，這四個導航系統工作的頻率比較接近，可以劃分為兩個工作頻段：1 163.72～1 278.75 MHz，1 561.098～1 605.375 MHz，極化方式為右手圓極化 RHCP（Right-Hand Circular Polarization，RHCP），相對頻帶寬度為33%[4-7]。由于各類導航系統采用的技術標準不同，衛星在空間的分布有限，各有優勢，定位精度、可用性、可靠性也有差異，使得導航終端接收多個衛星導航系統的服務數據成為一種需要。作為導航終端關鍵部件的天線，應具有寬帶、多頻段、圓極化、體積小等特點，其工作帶寬需要覆蓋上述導航系統工作頻率[8-11]。根據微帶天線體積小、易共形、重量輕、制造工藝簡單、電性能多樣化，可通過不同設計的微帶單元，最大輻射方向可從邊射到端射范圍內調整，且易于得到各種極化等優勢，結合右旋圓極化天線RCP（Right-Hand Circular Polarization，RCP）的特點[12-13]，采用寬帶微帶單元，本文設計了多模寬帶圓極化微帶天線，其工作頻率可覆蓋四大導航系統，系統采用厚的、低介電常數基片的寬阻抗帶寬貼片，并對每個貼片單元與適當補償一起在饋源激勵按順序旋轉來提高圓極化貼片陣列的阻抗帶寬和圓極化純度，更好地滿足導航終端多模式任務需要。

1 微帶多模寬帶天線貼片設計

四大導航系統的工作頻率范圍為GPS的（1 575±2.046） MHz 和（1 227.6±2.06）MHz；Galileo 的 1 164 ～1 215 MHz，1 260～ 1 300 MHz和 1 559～ 1 592 MHz；BEIDOU-2 的（1 268.52±10.23）MHz，（1 207.14±10.23）MHz，（1 561.098±2.046）MHz，（2 491.75±8.25）MHz；GLONASS的1 603.69±10.732 5 MHz。對此歸納分析后，可將四大導航系統的工作頻率劃分到兩個頻段，即1 561.098～1 605.375 MHz和1 163.72～1 278.75 MHz，均采用右旋圓極化方案[4,7]。由于單饋點方案的圓極化帶寬太窄，無法滿足較大帶寬的指標，而雙饋電方案時，天線調試更加容易，圓極化帶寬提高較大，但成本較高，不利于規模化使用。因此采用四饋電點的方案。同時通過引入空氣層、降低介質基板的介電常數、修改天線的等效諧振電路、附加寄生貼片、采用電厚基片[8-9]等措施提高圓極化帶寬。

由于微帶天線是一種諧振式天線，其諧振特性和RLC并聯諧振電路相似，品質因數Q數值較大，因此其阻抗帶寬窄。

根據腔模理論，矩形微帶天線一般工作在TM01/TM10基模，由此可激勵一對正交的簡并模TM01/TM10形成圓極化，90°相位相差可通過饋電網絡實現，基模TM01狀態下矩形微帶天線的長度L≈λg/2，寬度在保證不產生高次模的條件下取值大些有利于提高頻帶效率及阻抗帶寬。寬度W的最大值由式（1）確定[14-15]：

式中：c為光速；fr為天線中心頻率；εr為相對介電常數。由于微帶天線是一種磁流輻射現象，兩條輻射縫間的電納具有容性特征，相當于傳輸線產生了等效延長ΔL。ΔL可以根據準靜法計算得到：

實際微帶長度計算如下：

考慮微帶天線介質的特點為下方是介質，上方是空氣，且為不均勻填充，所以介電常數εr須用等效介電常數εe1代替，用保角變換法計算如下：

考慮到介質板下方空氣層的影響，微帶貼片等效復合介電常數為：

式中：εe=1為空氣的介電常數；h=5 mm。

微帶天線中的波長見式（6）：

對 于 兩 個工作 頻 段1 561.098～1 605.375 MHz，1 163.72～1 278.75 MHz，分別取中心頻率1 605.375 MHz和1 221 MHz，聯合公式（1）～（6）即可得出L，W初值。

2 饋電設計

饋電設計不僅影響天線的性能，也影響天線的成本，要綜合考慮。雖然兩饋電點圓極化方案在極化純度和軸比帶寬方面有較大提高，可滿足多模的需要，但中間輻射層采用的是FR4玻璃纖維環氧樹脂覆銅板，厚度為5 mm，這種板不常用，整體制作費用較高。為了擴大圓極化帶寬并降低制作費用，在兩饋電的基礎上設計四饋電圓極化天線[9-10]。

天線四個饋電點在空間位置上結構對稱，大大提高了軸比帶寬，減小了尺寸，相位設計成逆時針方向依次相差90°。在貼片表面四周對稱位置上各開1個矩形縫隙形成1個縫隙輻射器，由此獲得新的諧振頻率點，有效提高了天線阻抗帶寬[11-13]。縫隙長度和寬度分別決定于頻點帶寬和頻點位置。

矩形貼片四饋電點結構俯視圖如圖1所示。其中，d=25.59 mm，L1=65 mm，L2=55 mm，Ls=83.9 mm，Lground=99.99 mm，W1=6.01 mm，W2=8.99 mm。

圖1 矩形貼片四饋電點結構俯視示意圖

四饋電多模微帶寬帶天線結構側視圖如圖2所示。其中，h1=12.01 mm，h2=9.99 mm，h=2.99 mm，基板為100 mm×100 mm，饋電點設置在基板背面。中間輻射層為65 mm×65 mm，中間層介質基片厚度為3 mm，介電常數為4.4，在輻射片的周圍加工構成方形環狀空氣圈。

圖2 四饋電多模微帶寬帶天線結構側視圖

90°移相器原理如圖3所示。其他移相器可以參考相關文獻 [2，5-9]。

圖3 90°移相器原理圖

寬帶微帶多模天線饋電網絡如圖4所示。隔離電阻可以吸收不平衡產生的反射能量，其大小為特征阻抗的2倍。

圖4 寬帶微帶多模天線饋電網絡圖

3 仿真及結果

本文利用Ansoft公司設計生產的電磁仿真軟件HFSS和Designer進行聯合仿真，天線與饋電網絡連接后天線回波損耗結果如圖5 所示。該天線在1 561 MHz 和1 268 MHz兩個工作頻點的2個主平面軸比方向圖分別如圖6和圖7所示，兩個頻點對應的主平面功率增益方向圖分別如圖8和圖9所示。

圖5 饋電多模微帶寬帶天線回波損耗S11仿真結果

由圖5可知，該天線S11＜-10 dB的阻抗帶寬為1 163～1 790 MHz，達到了45%的相對帶寬。

圖6 1 561 MHz軸比方向圖

圖7 1 268 MHz軸比方向圖

由圖5、圖6可以看出，該天線具有良好的增益覆蓋和圓極化軸比特性。

從圖8、圖9可以看出，所設計的天線滿足了多模導航天線的增益要求。

4 結 語

為了滿足接收適用于GLONASS，Galileo，GPS，北斗4種衛星定位導航系統信號的需求，本文設計了多模微帶寬帶天線，天線極化方式為右旋圓極化。為了便于參數優化，分別設計天線與饋電網絡，綜合采用多種措施保證阻抗帶寬（在輻射貼片表面開矩形縫隙等）；饋電網絡級聯應用寬帶移相器和3個Wilkinson功分器，向天線的4個饋電端口提供幅度相等、相位依次相差90°的激勵信號，大大提高了天線的圓極化純度，也獲得了較大的頻帶阻抗帶寬。仿真表明，該天線在工作頻率范圍內，增益大于6 dB，回波損耗S11＜-10 dB，頂點軸比＜3 dB，具有良好的電性能和輻射特性，達到了設計要求，可用于提高導航終端技術，提高導航服務質量，具有廣闊的應用前景。

圖8 1 561 MHz方向圖

圖9 1 268 MHz方向圖