小型雙頻圓極化微帶天線(xiàn)

1 引 言

由于微帶天線(xiàn)的尺寸小、成本低、易加工的諸多特點(diǎn)，微帶天線(xiàn)在衛星通信及衛星導航領(lǐng)域得到廣泛使用。近年，隨著(zhù)多模衛星組合導航技術(shù)的發(fā)展，可同時(shí)接收多個(gè)頻段信號的衛星接收天線(xiàn)的設計得到了廣泛重視。微帶天線(xiàn)多數加工在高介電常數的介質(zhì)上，這種天線(xiàn)在低仰角性能好，并且帶寬較寬，同時(shí)具有良好的廣角圓極化特性。微帶天線(xiàn)的雙頻化方法很多，根據不同形狀的微帶天線(xiàn)，實(shí)現雙頻的方式也不同。若用單饋點(diǎn)方式實(shí)現雙頻化，一般有兩種方式：一種是使用一塊貼片，如通過(guò)加載或者開(kāi)槽的方法改變貼片各種自然模的場(chǎng)分布，進(jìn)而使諧振頻率受到干擾，最終實(shí)現雙頻或者多頻工作，另一種是使用雙層貼片。但是通常的報道中，雙層貼片天線(xiàn)要么加工在不同的介質(zhì)上，要么加工在同一種介質(zhì)上時(shí)，引入了空氣層，使得加工不便，并且增大了尺寸。 本文設計了一種可同時(shí)工作在GPS的L1(1.575 GHz)頻段和RNSS B3(1.268 GHz)頻段的雙頻圓極化微帶天線(xiàn)，天線(xiàn)通過(guò)單個(gè)探針饋電，雙層正方形切角的微帶貼片天線(xiàn)印制在相同介電常數的介質(zhì)上，與一般的雙層圓極化微帶貼片天線(xiàn)相比，由于沒(méi)有在兩層貼片之間引入空氣層，兩層之間的介電常數也相同，從而天線(xiàn)的尺寸變小了，天線(xiàn)結構緊湊，更加便于生產(chǎn)加工。

2天線(xiàn)模型

2.1單饋點(diǎn)圓極化雙頻微帶天線(xiàn)

單饋點(diǎn)無(wú)需任何移相網(wǎng)絡(luò )和功率分配器就可以實(shí)現圓極化輻射。他基于空腔模型理論，利用兩個(gè)輻射正交極化波的簡(jiǎn)并模，并在腔體內引入某種不對稱(chēng)性，以便消除這兩個(gè)模的簡(jiǎn)并性。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線(xiàn)的幾何結構有(準)方形、(橢)圓形及多邊形等多種形式。

圖1是單饋點(diǎn)方形圓極化微帶天線(xiàn)的示意圖。這種后饋式單饋點(diǎn)圓極化微帶天線(xiàn)是通過(guò)天線(xiàn)基片背面一點(diǎn)饋電，在A(yíng)型中把饋點(diǎn)F放置在x軸上，在B型中把饋電點(diǎn)設定在對角線(xiàn)上，通過(guò)附加簡(jiǎn)并分離單元△S來(lái)解出簡(jiǎn)并模的衰減。簡(jiǎn)并分離單元的符號在A(yíng)型中取為負(△S0)，在B型中取為正(△S>0)。對于A(yíng)型O△S／SO=1／2Q；對于B型O△S／SO=1／Q，其中Q為微帶天線(xiàn)的品質(zhì)因數。

本文所設計的天線(xiàn)采用雙層貼片，上、下層貼片均加工在厚度為3 mm，介電常數為9.2的介質(zhì)材料上，如圖2所示。

探針直接穿過(guò)下層微帶貼片天線(xiàn)的過(guò)孔連接到上層微帶貼片天線(xiàn)上，下層微帶貼片天線(xiàn)是上層微帶貼片天線(xiàn)的寄生單元，不用單獨饋電，通過(guò)上層天線(xiàn)電磁耦合饋電。雙頻天線(xiàn)的潴振頻率由上、下層微帶貼片的大小決定：

其中，c為自由空間中的光速，L為微帶貼片天線(xiàn)的實(shí)際長(cháng)度，△l是由邊緣效應引起的電納可用延伸長(cháng)度，εr為微帶天線(xiàn)介質(zhì)板的相對介電常數。微帶天線(xiàn)的圓極化輻射通過(guò)選擇正方形切角的大小來(lái)實(shí)現。

2.2 天線(xiàn)方向圖和S參數的計算

計算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS軟件。饋源使用微波端口，加在同軸線(xiàn)的端口上，求解頻率設置為1.57 GHz，在1～2 GHz之間使用快速掃頻。

計算采用自適應求解過(guò)程，迭代次數設為6，每次計算要比前次計算所剖分的網(wǎng)格數增加20％，2次計算得到的S參數的幅度和相位改變量小于0.2或計算滿(mǎn)6次，則求解結束。計算所得的S參數反映了輸入端口能量的反射及能量的利用率。軸比則反映了天線(xiàn)輻射圓極化波的性能。

3天線(xiàn)的仿真結果

雙頻天線(xiàn)的S參數、方向圖以及各個(gè)頻段的軸比分別如圖3～圖5所示。

從圖3中可以看出，天線(xiàn)能夠很好地工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。在這兩個(gè)波段上，天線(xiàn)的S參數均小于-12 dB，從而能夠完成接收衛星信號的功能。

圖4表明天線(xiàn)在工作頻段有良好的方向性和增益，能夠盡可能地接收來(lái)自衛星的信號。

由圖5(a)可以看出，天線(xiàn)工作在1.27 GHz時(shí)，在-70°～70°之間的軸比小于3.5，當天線(xiàn)工作在1.57 GHz時(shí)，天線(xiàn)從-70°～90°的軸比都小于3.5，基本能夠滿(mǎn)足GPS系統對天線(xiàn)軸比的要求。

4結 語(yǔ)

本文設計了一個(gè)雙頻段圓極化微帶天線(xiàn)，該天線(xiàn)能夠工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。該天線(xiàn)選用同種介電常數的材料，采用單饋點(diǎn)的方式，使得微帶天線(xiàn)能夠工作在雙頻，與常規的微帶雙頻天線(xiàn)相比，因為在兩層微帶天線(xiàn)之間沒(méi)有引入空氣層，該天線(xiàn)具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且天線(xiàn)的兩層使用了同種材料，也便于加工。同時(shí)本文的設計方法可應用于其他雙頻及多頻天線(xiàn)的設計。