雙頻圓極化GNSS天線(xiàn)設計

0 引言
全球衛星導航系統(GNSS)由于其具有全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全球性、全天性、連續性和實(shí)時(shí)性的導航、定位與定時(shí)功能，能為各類(lèi)用戶(hù)提供精密的三維坐標、三維速度和時(shí)間信息，而備受人們青睞。天線(xiàn)作為衛星導航系統的終端起著(zhù)舉足輕重的作用，其性能直接影響著(zhù)整個(gè)系統。
通常應用于全球衛星導航系統的終端天線(xiàn)有四臂螺旋天線(xiàn)和微帶天線(xiàn)兩種形式。四臂螺旋天線(xiàn)通過(guò)改變其物理尺寸可形成不同的輻射方向圖來(lái)滿(mǎn)足不同空間的應用需求，但由于其成本高，軸向尺寸大等缺點(diǎn)極大地限制了它的發(fā)展。與此同時(shí)微帶天線(xiàn)的出現使人們看到了希望，由于其體積小，剖面低，能與載體共形，易于實(shí)現圓極化等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的極大關(guān)注，而頻帶窄，增益小等缺點(diǎn)也阻礙著(zhù)其發(fā)展，但同時(shí)吸引著(zhù)大量的研究。目前基于不同饋點(diǎn)個(gè)數，和新型貼片結構的微帶天線(xiàn)得到了廣泛的研究。Chari Ricky和Mak Chi-Lun等人提出了通過(guò)在貼片上開(kāi)E型槽來(lái)得到滿(mǎn)意的帶寬，但這種方法所設計的天線(xiàn)尺寸很大。在文獻中介紹了加載短路銷(xiāo)釘的圓形微帶天線(xiàn)和矩形微帶天線(xiàn)，在天線(xiàn)的工作頻率上，天線(xiàn)的尺寸縮小了89％。本文結合上述兩種方法提出并設計了一種新型的層疊結構的微帶天線(xiàn)，通過(guò)在貼片上對稱(chēng)的開(kāi)四個(gè)槽，并利用使各饋點(diǎn)之間的相位相差90°的旋轉饋電技術(shù)，有效地擴展了天線(xiàn)的阻抗帶寬，并使天線(xiàn)的尺寸減小了26％。

1 腔膜理論分析
選擇如圖1所示的坐標系，當hλ0時(shí)，假設貼片與接地板之間的磁場(chǎng)只有Hx和Hy分量，電場(chǎng)只有Ez分量，內場(chǎng)不隨z坐標變化，四周為磁壁，貼片和接地板之間為電壁。

Ez滿(mǎn)足波動(dòng)方程：

由麥克斯韋方程組可解得Hx和Hy：

即得到腔內的場(chǎng)分布，同時(shí)可得到天線(xiàn)的諧振頻率為：

由以上計算可得天線(xiàn)的貼片尺寸a和b，其中a和b是考慮了邊緣效應后的等效尺寸，它與物理尺寸a’和b’之間的關(guān)系為：

分別為基片的厚度和等效介電常數。

2 天線(xiàn)模型的設計及優(yōu)化
基于腔膜理論結合表面開(kāi)槽法(曲流技術(shù))和短路銷(xiāo)釘加載技術(shù)，本文設計并優(yōu)化了一種新型的小型化層疊結構的微帶天線(xiàn)，其結構如圖2所示。它由上、下兩層貼片，短路探針及同軸線(xiàn)組成，采用雙層貼片，上、下兩層選用相同介電常數的聚四氟乙烯材料(相對介電常數εr1= εr2=4．4，損耗角正切值為tanδ=0．001)，基片厚度為4 mm。同軸線(xiàn)通過(guò)下層貼片的鉆孔連接到上層貼片，下層貼片是上層貼片的寄生單元，通過(guò)探針直接饋電。通過(guò)調節上、下兩層貼片的尺寸實(shí)現L1(1．575 GHz)和L2(1．227 GHz)兩個(gè)諧振頻率?；诓ò陮挾?、效率及帶寬性能的考慮選用正方形微帶貼片作為輻射單元，并在貼片邊緣對稱(chēng)地開(kāi)四個(gè)矩形槽，既保證了這種單元結構的對稱(chēng)性，同時(shí)可實(shí)現良好的正交極化輻射特性；又可通過(guò)調節所開(kāi)矩形槽的尺寸，在反射損耗基本不變的情況下極大地改善了天線(xiàn)的軸比帶寬，使其軸比帶寬在一定程度上得到了擴展；同時(shí)由于在貼片上開(kāi)槽使貼片的表面電流路徑增長(cháng)，降低了其諧振頻率，從而減小了貼片的尺寸，使其滿(mǎn)足了實(shí)際應用中要求的指標。

采用電磁仿真軟件CST，應用時(shí)域有限差分法對所設計的天線(xiàn)進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)仿真分析及優(yōu)化，下層貼片尺寸L2×L2=51．6 mm× 51．6 mm，縫隙的尺寸Ls2×Lw2=10．2 mm×5 mm，上層貼片尺寸L1×L1=39．5 mm×39．5 mm，縫隙的尺寸Ls1×Lw1=7．8 mm×5 mm?；谔炀€(xiàn)的對稱(chēng)結構采用8個(gè)同軸饋點(diǎn)對天線(xiàn)進(jìn)行饋電，上下兩層貼片均采用4個(gè)饋點(diǎn)錯位倒向饋電技術(shù)，使天線(xiàn)的相位中心和圓極化性能保持穩定。
根據前面的設計所的得到的仿真結果如圖3～圖5所示。天線(xiàn)在1．521～1．629 GHz和1．153～1．313 GHz頻段上，反射損耗S11-10dB，且在中心工作頻點(diǎn)1．575 GHz和1．227 GHz上反射損耗S11分別為-18．1 dB和-20．9 dB(如圖3所示)。圖4為1．575 GHz和1．227 GHz頻段上天線(xiàn)的極化軸比仿真結果，由此可見(jiàn)，在1．575 GHz，天線(xiàn)在-59°～59°范圍內其極化軸比小于3 dB；在1．227 GHz，天線(xiàn)在-65°～+65°范圍內其極化軸比小于3 dB。圖5給出了1．575 GHz和1．227 GHz頻段上圓極化天線(xiàn)的方向圖仿真結果，該仿真結果說(shuō)明，當頻率為1．575 GHz時(shí)，天線(xiàn)在ψ=0°方向的增益為6．1 dB，半功率寬度為104．5°；當頻率為1．227 GHz時(shí)，天線(xiàn)在ψ=O°方向的增益為8．4 dB，半功率寬度為90．9°，以上性能均滿(mǎn)足實(shí)際工程中的要求。

3 結語(yǔ)
應用腔膜理論和時(shí)域有限差分法分析并設計了雙層結構微帶層疊結構。該層疊結構微帶天線(xiàn)的設計結合了曲流技術(shù)和加載短路銷(xiāo)釘技術(shù)，使用CST電磁仿真軟件仿真。仿真結果表明，該天線(xiàn)的增益、阻抗帶寬等均優(yōu)于同結構的矩形貼片微帶天線(xiàn)，完全滿(mǎn)足GNSS天線(xiàn)的性能要求，天線(xiàn)還具有結構簡(jiǎn)單、體積小、易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中得到重要的應用。