左東廣，羅洪濤，胡龍濤，李峰臣

(1.第二炮兵工程大學101 教研室，陜西 西安 710025; 2.中國人民解放軍68304 部隊，陜西 渭南 715299; 3.第二炮兵工程大學 學員旅，陜西 西安 710025)

北斗導航系統(tǒng)是我國自主研制的衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是繼美國GPS、俄羅斯Glonass、歐洲Galileo 之后的全球第四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)［1］。隨著技術的進步和導航系統(tǒng)的廣泛應用，北斗導航系統(tǒng)對終端設備也提出了越來越高的要求，終端更具小型化、多頻帶、便攜性、輕薄短小等特點。天線作為導航終端的重要部件之一，天線的大小和性能也直接影響著終端的優(yōu)化設計。近年高性能、小型化的天線在北斗導航終端得到了廣泛的應用，小型化、圓極化和多頻帶等問題也成為了北斗導航領域研究中的熱點［2］。北斗導航系統(tǒng)要求天線有良好的圓極化性能。圓極化微帶天線的實用意義在于:(1)圓極化天線可接受任意極化的來波，且輻射也可由任意極化天線收到。(2)在諸多領域廣泛應用圓極化天線的旋向正交性。(3)圓極化波入射到對稱目標時發(fā)生旋向旋轉(zhuǎn)［3］，因此應用于北斗導航系統(tǒng)能抑制雨霧干擾和抗多徑反射。

微帶天線易于實現(xiàn)線極化圓極化，具有低輪廓、體積小、重量輕、易與載體共形、易于制作等優(yōu)點，因此在北斗導航系統(tǒng)中得到了廣泛應用［4］。本文以微帶貼片天線為基礎，設計出了應用于北斗導航系統(tǒng)的單頻帶右旋圓極化微帶天線。此北斗接收天線實現(xiàn)了在S 頻段(2 492±6 MHz)上工作，滿足了應用需要。此設計具有設計簡單，易于實現(xiàn)，成本較低等優(yōu)點。

1 理論分析

微帶天線產(chǎn)生圓極化波的基本思路是天線激勵產(chǎn)生兩個空間正交的線極化波，并使二者振幅相等，相位差90°［5］。實現(xiàn)微帶天線圓極化的方法可歸納為3 類:(1)引入幾何微擾的單饋電法。通常引入幾何微擾就是在輻射單元上切角、開槽和引入調(diào)諧枝節(jié)等，改變原有諧振模式，激發(fā)正交模。(2)附加饋電網(wǎng)絡的多饋電法。附加的饋電網(wǎng)絡具備功率等分和90°相移功能。在文獻［6］中采用3 dB 電橋作為饋電網(wǎng)絡，在文獻［7］中的饋電網(wǎng)絡由3 個Wikinson 功分器和寬帶移相器組成，這些均采用附加饋電網(wǎng)絡來實現(xiàn)圓極化天線的設計。(3)輻射單元組陣多元法。每一個饋電點對一個饋電元饋電，產(chǎn)生圓極化的關鍵是單元天線的合理布局，這種方法由于實現(xiàn)難度較大，因此實際應用較少。多饋電法和多元法實現(xiàn)圓極化雖然在軸比帶寬和增益、交叉極化等方面都有優(yōu)勢，但附加饋電網(wǎng)絡和天線結(jié)構的設計都很復雜，成本較高，天線尺寸大，也不利于小型化設計。單饋電圓極化微帶天線無需復雜的饋電網(wǎng)絡，結(jié)構簡單，成本低廉，雖在帶寬和極化性能等方面略顯不足，但通過優(yōu)化調(diào)整，可滿足實際的應用需要。目前，單貼片輻射單元上采用切角方法實現(xiàn)單饋電圓極化技術已經(jīng)得到了廣泛應用，這種設計可使天線更加小巧便攜，在實際使用中也更加靈活，這就是本設計實現(xiàn)圓極化特性的基本思路，右旋圓極化主要通過改變饋電點位置來實現(xiàn)［8］。通常使用軸比(AR，Axial Ratio)來度量圓極化的性能。

微帶天線的小型化設計方法很多，有使用特殊材料基片、加載技術、開槽縫法、附加有源網(wǎng)絡和折疊技術等。由于天線的圓極化特性對于饋電點位置、切角和輻射單元的形狀，以及尺寸等較為敏感，因此需要綜合考慮其小型化設計方法，對于加載技術和附加有源網(wǎng)絡等方法實現(xiàn)復雜度高，考慮到設計的天線圓極化性能，開槽方法和使用特殊材料基片成為了首選，實現(xiàn)方法簡單可行，易于操作。但是開槽對于圓極化天線需要考慮其位置、大小和布局，在文獻［9］中可看出，對于圓極化微帶天線，在具有對稱性的輻射單元上對稱的開槽是較為理想的實現(xiàn)方法，就是通過延長輻射單元表面電流的流徑，從而降低天線的諧振頻率來實現(xiàn)小型化。本設計就是在方形貼片上對稱開兩對矩形槽，從而進一步減小輻射單元的尺寸。

2 天線結(jié)構和設計

該設計采用標準50 Ω 同軸饋電，輻射單元和地板間采用相對高介電常數(shù)εr=14 的介質(zhì)填充。輻射單元和地板均采用銅皮，地板大小為L×L=24.8 mm×24.8 mm，天線高度為H=4.5 mm，s 為切角邊長大小，fd為饋電點位置。天線輻射單元的結(jié)構如圖1 所示。

圖1 天線輻射單元的結(jié)構

(1)建立微帶貼片天線的基本模型如圖2 所示。

圖2 微帶貼片天線的基本模型

根據(jù)矩形微帶天線的設計理論，由單饋點微帶矩形貼片天線的經(jīng)驗公式計算出其尺寸大小。對于方形貼片同樣適用。忽略邊緣縮短效應后，文中可用式(1)進行計算

北斗導航接收天線的中心頻率f0=2.492 GHz，其中c=3×108m/s，εr=14。代入式(1)計算出L0≈16.1 mm。

(2)在輻射單元上切角，實現(xiàn)圓極化性能。在初步確立了基本的輻射單元尺寸，建立基本模型之后，采用輻射單元切出兩個等腰三角形元，實現(xiàn)天線的圓極化性能。北斗導航接收天線要求右旋圓極化特性，所以根據(jù)微帶天線的基本理論和分析方法及文獻［1］中做出的具體闡述，文中得知實現(xiàn)右旋圓極化特性，必須選擇好饋電點的參考位置。本設計饋電點選擇在x 軸上，軸比特性在最終的仿真結(jié)果中給出，s 對S11參數(shù)的影響如圖3 所示。

圖3 s 大小對S11的影響

由圖3 可看出，切角s 的大小對S11和中心頻率都會產(chǎn)生影響。適當大小的切角有利于天線性能的優(yōu)化?？煽闯?，從1.3 mm 加大到1.7 mm，S11逐漸降低，由于切角本身就減小了輻射單元的尺寸，中心頻率發(fā)生了較大偏移，隨著切角尺寸的增大向高頻偏移。因此切角大小有利于圓極化特性的實現(xiàn)，但不可過大選取切角，因為過分的減小天線尺寸，會使天線帶寬和增益等性能下降，甚至出現(xiàn)惡化。適當?shù)那薪谴笮∮兄谡{(diào)整中心頻率和S11，對優(yōu)化天線的圓極化特性作用明顯。

(3)對稱加載小縫隙，實現(xiàn)進一步的小型化設計。在文獻［9］提出了對于對稱結(jié)構的輻射單元，對稱開槽實現(xiàn)小型化的方法可行，本設計基于此思路，在保持步驟(2)中尺寸不變的情況下，在有切角的方形貼片上4 個邊沿中心位置開4 個小矩形縫隙，設沿y 軸邊長為k，沿x 軸邊長為t。調(diào)整其尺寸大小。探討幾種因素對天線性能的影響。

1)饋電點位置(fd，0)對S11的影響。由圖4 可看出，在其他參量保持不變，切角也保持不變的情況下，饋電點(fd，0)對天線的S11和中心頻率有著明顯的影響。當饋電點遠離輻射單元的中心時，中心頻率的回波損耗會逐漸降低，但中心頻率的偏移量較小?？煽闯鲈趂d=1.7 mm 時，S11達到了最優(yōu)。繼續(xù)遠離時，S11則逐漸變差。這是因為在某一個位置與特性阻抗達到了良好匹配后，繼續(xù)遠離Patch 中心，則會出現(xiàn)失配。因此調(diào)整饋電點位置，對天線性能的優(yōu)化非常關鍵。

圖4 fd 對S11的影響

2)開槽的邊長(k，t)大小對天線S11的影響。由圖5可看出，隨著k 和t 尺寸的逐漸加大，S11的性能在變差，諧振頻率在向低頻移動，且激發(fā)出另一個諧振點。說明開槽不宜過大，過分的追求天線小型化，會造成天線性能的下降甚至惡化。最終優(yōu)化得到的天線尺寸如表1 所示。

表1 天線優(yōu)化后的尺寸 mm

圖5 (k，t)大小對S11的影響

3 仿真結(jié)果及討論

(1)回波損耗。由圖6 可看出，該天線覆蓋了北斗導航接收天線的S 頻帶，中心頻率附近出現(xiàn)了一個平谷，約10 MHz。在2.49 GHz 處S11約為－19.04 dB。S11＜－10 dB(VSWR ＜2)時阻抗帶寬為2 460 ～2 542 MHz，比工程應用中的S 頻帶帶寬優(yōu)越。

圖6 S11參數(shù)和VSWR

(2)軸比。由圖7 可看出，天線實現(xiàn)了圓極化的工作方式，在3 dB 以下的頻率范圍為2.486 ～2.498 GHz，覆蓋了北斗的2.492 GHz 頻點，在頻點2.492 GHz 處的軸比最小，約為0.438 dB，3 dB 軸比帶寬為12 MHz;AR ＜3 dB的波束寬度范圍約為－56°～56°。

圖7 軸比和3 dB 波束寬度

由圖8(a)中可看出，在－57°～57°范圍內(nèi)，天線的總增益右旋圓極化波近似相等，表明天線輻射右旋圓極化波。圖8(b)看出天線的最大輻射方向為θ=0°，φ=0°，最大增益約為3.04 dB。

4 結(jié)束語

本文設計了一款單饋電的小型圓極化微帶天線，并借助HFSS 軟件進行了仿真，從仿真結(jié)果來看，滿足了北斗導航接收天線的設計要求。雖本設計的方法較為簡單、易于實現(xiàn)、設計難度較低，但也存在軸比帶寬較窄等不足，考慮到為保證良好的圓極化性能，在小型化設計上還存在方法單一，小型化效果不明顯的問題，還有待進一步深入研究。隨著北斗導航終端的廣泛應用，終端天線向著小型化、多頻帶、寬帶化的方向發(fā)展，也將成為研究熱點［10］。

圖8 增益方向圖

［1］ 徐良.雙頻圓極化微帶天線的研究［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

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［3］ 陳世甲.導航系統(tǒng)中圓極化天線設計［D］.大連:大連海事大學，2011.

［4］ 汪雪剛，李瑞，吳多龍，等.GPS 雙頻圓極化微帶天線的設計［J］.廣東工業(yè)大學學報，2011，28(2):43－45.

［5］ 田曉青，劉少斌，張學勇，等.基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的一種圓極化微帶天線［J］.信息化研究，2011，37(2):22－23.

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［7］ 付燦，李民權，金秀梅.應用于多模衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的寬帶天線設計［J］，合肥工業(yè)大學學報:自然科學版，2011，34(3):392－394.

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