基于超材料的雙頻雙圓極化北斗導航天線設計

袁 昊,欒秀珍,王曉慶

(大連海事大學 信息科學與技術學院,遼寧 大連 116026)

北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我國自主研發的衛星導航系統。隨著2020 年6 月23 日北斗3 號最后一顆衛星的發射成功,北斗導航系統完美收官,對其應用的研究將成為未來發展的主要任務。BDS 不僅能提供定位服務,而且還支持短報文通信服務。短報文通信是北斗導航系統區別于其他導航系統的重要功能之一,其要求終端天線在頻率為1.615 GHz 的上行鏈路極化方式為左旋圓極化;在頻率為2.492 GHz 的下行鏈路極化方式為右旋圓極化[1]。為了實現天線的小型化,通常要求終端天線能同時工作在1.615 GHz 頻段和2.492 GHz 頻段,且分別輻射左旋圓極化波(LHCP)和接收右旋圓極化波(RHCP),即具有雙頻雙圓極化的特性,這些要求給天線的設計帶來很大的挑戰。

目前,關于雙頻雙圓極化天線的研究主要集中在對四臂螺旋天線和多模、多共振及堆疊式結構微帶天線的研究上[2-7]。文獻[2]給出了四臂螺旋結構的雙頻雙圓極化北斗導航天線的設計,該天線剖面高,饋電網絡復雜。文獻[3-4]采用多共振模式設計了單層雙頻雙圓極化天線。然而,這些天線一般具有阻抗帶寬和軸比帶寬較窄的缺陷。為了解決窄帶問題,文獻[5-7]分別采用堆疊式微帶天線結構設計雙頻雙圓極化北斗導航天線,但由于采用的是堆疊式結構,所以天線剖面高,饋電方式復雜。

近年來,關于超材料及其應用的研究發展迅速。超材料是一類新型人工材料,復合左/右手傳輸線(CRLH-TL)是一種具有代表性的超材料傳輸線,其在某些頻率處的等效介電常數和等效磁導率同時為負值,電場、磁場和波矢量遵從左手定則;而在其他頻率處,等效介電常數和等效磁導率同時為正值,電場、磁場和波矢量遵從右手定則。利用CRLH-TL 的這一特性可以設計雙頻雙圓極化天線[8]。文獻[9]提出了一種基于超材料傳輸線的雙頻雙圓極化天線。該天線為雙饋雙臂方形螺旋線結構,結構復雜,尺寸較大。文獻[10]基于I 形超材料單元所構成的傳輸線設計了一個單臂方形螺旋天線,該天線在2.6 GHz 和3.6 GHz 頻率處的極化方式分別為左旋和右旋圓極化,但在2.6 GHz 處增益只有0.92 dBi。文獻[11]基于超材料結構設計了雙頻雙圓極化單臂圓形螺旋天線,但該天線結構復雜,實現困難。

綜上所述,目前利用超材料的左/右手傳輸特性設計的北斗導航雙頻雙圓極化天線鮮有報道,本文基于超材料結構設計了一款新型雙頻雙圓極化北斗導航天線。該天線是基于I 形和Γ 形超材料單元構成的混合型超材料傳輸線所設計的單饋單臂方形螺旋天線。該天線在北斗導航系統的1.615 GHz 頻段極化方式為左旋圓極化,在2.492 GHz 頻段的極化方式為右旋圓極化,且在兩個工作頻段內增益均大于3.4 dBi,各項指標均滿足北斗導航系統短報文通信的要求,因此具有廣泛的應用前景。

1 超材料單元結構及設計

超材料復合左/右手傳輸線單元的原理圖如圖1 所示。其中,串聯電感LR和并聯電容CR構成普通的右手關系傳輸線單元;串聯電容CL和并聯電感LL構成具有左手關系的傳輸線單元,二者共同構成復合左/右手傳輸線單元。

圖1 復合左/右手傳輸線單元的原理圖Fig.1 Schematic diagram of the composite left-handed and right-handed transmission line unit cell

CRLH-TL 單元的傳播常數可表示為:

式中:Z1=j [ωLR-1/(ωCL)];Y1=j [ωCR-1/(ωLL)]。

圖1 中串聯支路和并聯支路的諧振頻率分別為:

當ωseries=ωshunt=ω0時,稱為平衡態。在平衡狀態時,CRLH-TL 單元中波傳播的相移常數為[12]:

當ω=ω0時,β=0,ω0稱為CRLH-TL 的過渡轉折頻率;當ω<ω0時,β<0,該頻段為CRLH-TL 的左手傳輸特性頻段;當ω>ω0時,β>0,該頻段為CRLHTL 的右手傳輸特性頻段。

圖1 所示是一種非對稱型復合左/右手傳輸線單元,其非對稱性會導致二端口網絡在某種程度上的不匹配,不便于在微波電路中實現[13]。圖2(a)所示是一種對稱型復合左/右手傳輸線單元,便于微波實現,且用對稱型單元構成的周期性結構傳輸線與用非對稱型單元構成的周期性結構傳輸線具有相同的左/右手傳輸特性[13],因此,本文基于圖2(a)結構設計了兩種半集中參數電路單元,如圖2(b)和圖2(c)所示。在圖2(b)中,集中參數的電容2C0和電感L0用于實現圖2(a)中的串聯電容和并聯電感;長度分別為Lseg/2,Lseg和Lseg/2 的微帶傳輸線段用于實現串聯電感和并聯電容[13-14]。串聯電感由沿微帶線流動的高頻電流產生的磁通量引起;而并聯電容則由在微帶導體帶條與其下方的接地板間存在的電場導致[13]。該電路單元稱為“I 形單元”。在圖2(c)中,并聯電感由一段長度為Lstub的終端短路并聯微帶線段構成[14],其他部分與“I形單元”相同,稱為“Γ 形單元”。

圖2 對稱型復合左/右手傳輸線單元的原理圖和結構圖Fig.2 Schematic and structural diagram of symmetric composite left/right-handed transmission line unit cell

本文選擇相對介電常數εr=2.55,基板厚度B=3 mm 的F4B 板材進行設計。根據北斗導航系統對雙頻(fL=1.615 GHz,fH=2.492 GHz)雙圓極化天線的要求,確定I 形單元和Γ 形單元結構中的參數分別為:2C0=2.4 pF,L0=3.8 nH,Lseg=6 mm,w=8.35 mm,g=1 mm,Lstub=6.8 mm,Wstub=1.25 mm,Rstub=0.5 mm,p=14 mm,此時I 形和Γ 形單元結構相對于空氣中傳播常數k0的相移常數曲線分別如圖3(a)和(b)所示。由圖可以看出,兩種單元結構的過渡頻率點均為f0=1.9 GHz。在過渡頻率點以上可以獲得正的相移常數,在過渡頻率點以下可以獲得負的相移常數,且,該特性為在同一幅螺旋天線上fL和fH頻段實現左旋和右旋圓極化奠定了理論基礎。

2 雙頻雙圓極化天線設計與加工

2.1 天線結構與設計

本文采用I 形單元和Γ 形單元構成的混合型超材料傳輸線結構設計應用于北斗導航系統的雙頻雙圓極化天線,天線結構如圖4 所示。該天線為單饋單臂方形平面螺旋天線,信號從饋電點A 輸入后,先在由16個I 形單元構成的超材料傳輸線中進行傳輸,然后在由17 個Γ 形單元構成的超材料傳輸線中進行傳輸,波在傳輸過程中不斷輻射能量,從而構成螺旋天線。從A 點開始,各段螺旋臂的長度分別為:L1=L2=p,L3=L4=2p,L5=L6=3p,L7=L8=4p,L9=L10=5p,L11=3p。其中,p為超材料單元的長度。天線末端B 處接入Bloch 阻抗,ZB=50 Ω。

從圖3 中可以看出,當f<1.9 GHz 時,相移常數為負值,而由圖4 可知該螺旋天線為右旋繞制,所以,當單臂螺旋天線外環路周長大約為fL對應的一個導波波長時,可以在fL頻率附近產生左旋圓極化波;而當f>1.9 GHz時,相移常數為正值,故當天線環路周長大約為fH對應的一個導波波長時,則在fH頻率附近產生右旋圓極化波。

圖3 兩種超材料單元結構的相移常數曲線Fig.3 Phase constant curves of the two metamaterial unit cell structures

圖4 雙頻雙圓極化單臂螺旋天線結構圖Fig.4 Structure of dual-band dual-circularly polarized single-arm spiral antenna

2.2 天線加工與測量

基于以上設計結果,對天線進行了實際加工。圖5 所示為天線實物圖。

圖5 天線實物圖Fig.5 Photographs of the fabricated antenna

圖6 為測量的S11參數曲線。由圖6 可知,在L 頻段,S11<-10 dB 的頻帶范圍為1.55～1.68 GHz,帶寬約為8%;在S 頻段,S11<-10 dB 的頻帶范圍為2.4～2.7 GHz,帶寬約為12%,說明該天線具有良好的匹配性能,且工作帶寬較寬。

圖6 測量的S11參數曲線Fig.6 The measured S11 parameter curves

圖7 給出了天線在兩個中心工作頻率處的方向性圖。由圖可見,在L 波段的中心頻率f=1.615 GHz處,天線的主極化方式為左旋圓極化,在θ=0°方向的增益約為3.6 dBi,交叉極化鑒別率大于21 dB,半功率波瓣寬度2θ0.5,L>100°;在S 波段的中心頻率f=2.492 GHz 處,天線的主極化方式為右旋圓極化,在θ=0°方向的增益約為4.85 dBi,交叉極化鑒別率大于21 dB,半功率波瓣寬度2θ0.5,R>70°。

圖7 天線在兩個中心工作頻率處的方向性圖Fig.7 Antenna radiation patterns at two central operating frequencies

圖8 所示為天線的軸比隨頻率變化的曲線。由圖可知,在L 頻段,AR<3 dB 的頻帶范圍為1.56～1.66 GHz,帶寬約為6%;在S 頻段,AR<3 dB 的頻帶范圍為2.46～2.6 GHz,帶寬約為5.5%。

圖8 軸比隨頻率變化曲線Fig.8 Axial ratio versus frequency curve

圖9 所示為天線的增益隨頻率變化的曲線。由圖可知,在L 頻段的工作頻帶(1.615 GHz±4.08 MHz)內,天線增益大于3.4 dBi;在S 頻段的工作頻帶(2.492 GHz±4.08 MHz)內,天線增益大于4.8 dBi。由此可見,天線在兩個工作頻帶均具有較高的增益。

圖9 增益隨頻率變化曲線Fig.9 Gain versus frequency curve

3 結論

本文基于超材料結構提出并研制了一款應用于北斗導航系統的新型短報文收發一體天線。該天線利用超材料傳輸線的左/右手傳輸特性實現了在北斗L 頻段輻射左旋圓極化波、在S 頻段接收右旋圓極化波的特性,且在兩個頻段均具有較高的增益,S11<-10 dB的帶寬均大于8%,3 dB 軸比帶寬均大于5.5%。由此可見,利用超材料傳輸線左/右手傳輸特性設計的雙頻雙圓極化天線可以很好地滿足北斗導航系統短報文通信的要求,且天線為單層結構,單點饋電,具有剖面低、易饋電等優點,因此具有廣泛的應用前景。