陳夏寅，彭菊紅，王旭光，邱桂霞，楊維明

(湖北大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，已進(jìn)入逐步應(yīng)用階段。隨著各導(dǎo)航終端的日益發(fā)展，對(duì)終端天線的性能也提出了更高的要求，因而對(duì)北斗圓極化天線高性能的研究成為熱點(diǎn)。陣列天線可提高增益[1]，得到很好的方向性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中也被廣泛使用[2]，但傳統(tǒng)的微帶陣列天線仍存在增益不高等缺點(diǎn)[3]。而分形天線具有寬頻帶、多頻工作等優(yōu)點(diǎn)，在微帶天線的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用[4]；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的介質(zhì)埋藏微帶八木天線結(jié)構(gòu)，天線增益較高，但尺寸較大；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)的基于分形技術(shù)的超寬帶天線，結(jié)構(gòu)較緊湊，帶寬較寬，但增益不高；頻率為2.49 GHz，最大輻射方向增益不低于5 dB；回波損耗低于-20 dB。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了六邊形環(huán)和缺陷地結(jié)構(gòu)的寬頻帶多頻微帶天線，天線尺寸較小，增益較高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，圓極化性能不高。

本文設(shè)計(jì)的微帶陣列天線，采用四元饋電法。引入Sierpinski地毯分形技術(shù)能夠讓每個(gè)微帶貼片單元在保證別的參數(shù)達(dá)標(biāo)的狀態(tài)下略微減小尺寸，同時(shí)每個(gè)微帶貼片單元在外觀上具有一定的視覺(jué)效應(yīng)，起到了裝飾的效果[8]。結(jié)合類似Koch鋸齒分形技術(shù)對(duì)諧波抑制進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)該天線性能進(jìn)行仿真及優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該天線陣列具有較好的方向性和增益性能。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

陣列天線具有較高的增益，在導(dǎo)航系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用[9]，本文以四單元陣列天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例，并引入Sierpinski地毯分形實(shí)現(xiàn)寬頻帶特性且略微減少每個(gè)貼片單元的尺寸[10]，再結(jié)合類似Koch鋸齒分形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高次諧波和雜波干擾的抑制，最后可以得到一個(gè)具有寬頻帶、高增益、方向性極好的陣列天線。

為適合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的工作范圍，微帶天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：工作頻帶為S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系統(tǒng)要求微帶天線的極化方式是右旋圓極化[11]，為此本文采用四元饋電網(wǎng)絡(luò)。為保證輸出圓極化波，則需要設(shè)計(jì)4個(gè)幅度相等，相位依次為0°、90°、180°和270°的激勵(lì)信號(hào)，各段之間可通過(guò)阻抗匹配原理[12]進(jìn)行匹配。

1.1 微帶貼片單元設(shè)計(jì)

微帶天線貼片單元結(jié)構(gòu)與仿真如圖1所示。

圖1 微帶天線貼片單元結(jié)構(gòu)與仿真

微帶天線的貼片結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，根據(jù)理論分析，微帶貼片單元的長(zhǎng)L=37.26 mm ，線寬W=36.21 mm；1/4阻抗轉(zhuǎn)換器的微帶線長(zhǎng)L1=15.6 mm，線寬W1=1.16 mm；50 Ω微帶線長(zhǎng)L2=16.37 mm，線寬W2=3.06 mm；介質(zhì)板材選用FR4，εre=4.4 ，h=1.6 mm，天線使用微帶線饋電,通過(guò)HFSS得到的天線的性能仿真曲線如圖1(b)和圖1(c)所示，從圖中可以看出，回波損耗S11低于 -24 dB，增益達(dá)到3.87 dB。

1.2 微帶貼片單元的優(yōu)化

Sierpinski分形結(jié)構(gòu)有2個(gè)顯著特點(diǎn)：① 工作在多頻段；② 減少微帶貼片的尺寸。其常見(jiàn)形式有三角分形和毛毯分形，本文對(duì)微帶貼片的優(yōu)化采用的是毛毯分形的形式，采用三階Sierpinski毛毯分形，將矩形分成9個(gè)面積相等的小矩形，然后挖去正中間的一個(gè)小矩形，剩余8個(gè)單元?jiǎng)t構(gòu)成一階生成元，按這種方式進(jìn)行迭代3次處理，可獲得三階Sierpinski毛毯分形，結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。通過(guò)三階Sierpinski毛毯分形[13]，貼片的長(zhǎng)度和寬度均有明顯減少，其中貼片寬度W由36.21 mm縮減至30.15 m，HFSS的仿真結(jié)果如圖2(b)所示，回波損耗S11低于-35 dB，性能有所改善。但是分形結(jié)構(gòu)因?yàn)椴糠謽?gòu)造與整個(gè)模型以及部分和部分之間因結(jié)構(gòu)的相似,極易產(chǎn)生多個(gè)頻點(diǎn)，且諧振點(diǎn)的個(gè)數(shù)等于分形結(jié)構(gòu)的層次[8]，由此而會(huì)產(chǎn)生多個(gè)高次諧波的干擾[14]。

圖2 Sierpinski毛毯分形結(jié)構(gòu)與仿真

為抑制因毛毯分形而產(chǎn)生的高次諧波干擾，將矩形微帶天線的兩側(cè)采用類似于koch分形的方法，進(jìn)行鋸齒分形處理，隨著分形階數(shù)及所加方形鋸齒數(shù)的增加，微帶貼片單元將表現(xiàn)出各種不同的特性[15]。利用HFSS對(duì)不同分形階數(shù)(n=1～20) 的微帶天線進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=1或2，微帶貼片單元具有倍頻作用，當(dāng)n>10時(shí)天線除在基頻2.49 GHz處有很好諧振外，高于2.49 GHz的高次諧波分量都得到很好的抑制。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=16時(shí)，天線抑制高次諧波能力最佳，分形微帶天線的單元結(jié)構(gòu)與仿真結(jié)果如圖3(b)所示，可見(jiàn)高次諧波得到了較好的抑制。

圖3 類Koch分形結(jié)構(gòu)與仿真

1.3 陣列天線設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)優(yōu)化，得到了一個(gè)具有寬頻帶特性且對(duì)高次諧波和雜波有很好抑制作用的微帶貼片單元，但其增益降低至1.08 dB，不滿足性能指標(biāo)，故為提高增益，采用四單元陣列天線結(jié)構(gòu)。

工作頻帶為S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系統(tǒng)要求微帶天線的極化方式是右旋圓極化，為此本文采用四元饋電網(wǎng)絡(luò)。為保證輸出圓極化波，則需要設(shè)計(jì)4個(gè)幅度相等，相位依次為0°、90°、180°和270°的激勵(lì)信號(hào)，各段之間可通過(guò)阻抗匹配原理進(jìn)行匹配。四元陣列天線結(jié)構(gòu)如圖4所示，所組合四單元陣列天線尺寸為125.94 mm*137.02 mm。

圖4 陣列天線的結(jié)構(gòu)

考慮實(shí)際應(yīng)用中，傳輸線會(huì)有轉(zhuǎn)彎部分，在引起反射的同時(shí)，相位可能會(huì)受影響。因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)角處進(jìn)行切角處理，并對(duì)切角的深度進(jìn)行參數(shù)掃描及優(yōu)化，得到恰當(dāng)?shù)某叽鏪16]。優(yōu)化參數(shù)后得到分形四元陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖5所示，尺寸為125.94 mm*121.16 mm，尺寸比傳統(tǒng)四元陣列有所減小，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶特性，并可抑制諧波及雜散波。

圖5 分形四元微帶陣列天線結(jié)構(gòu)圖

2 陣列天線的性能仿真及分析

通過(guò)HFSS15軟件，對(duì)上述設(shè)計(jì)的分形四元微帶陣列天線的性能進(jìn)行仿真。工作頻段在S波段，中心頻率在2.49 GHz，介質(zhì)板材選用FR4，εre=4.4，h= 1.6mm，仿真得到微帶天線陣列的仿真曲線如圖6～圖9所示。

圖6 微帶陣列天線S11仿真

圖7 微帶陣列天線增益的仿真

圖8 微帶陣列天線軸比的仿真圖

圖9 E面和H面法向的軸比曲線

從上述仿真結(jié)果可看到，在2.49 GHz處天線的回波損耗S11達(dá)到-23.8 dB；陣列天線的增益可達(dá)到9.6 dB；在E面(φ=0°)和H面(φ=90°)其3 dB波瓣寬度均為25°，表明天線的方向性較好；帶內(nèi)軸比約為0.85 dB，法向軸比約為2.4 dB，在-117°～117°范圍內(nèi)軸比均小于6 dB，實(shí)現(xiàn)了圓極化，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用三階Sierpinski毛毯分形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了寬頻帶特性；為抑制微帶天線產(chǎn)生的諧波和雜波干擾，在微帶貼片天線兩側(cè)添加類koch的鋸齒分形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。利用HFSS15軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的分形陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真及參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明，回波損耗低于-22 dB，增益可達(dá)到9.6 dB，具有較好的方向性和圓極化性能，滿足北斗系統(tǒng)天線指標(biāo)的要求。此類天線用途廣泛，比如一種使用高增益陣列天線的定位系統(tǒng)[17]，同時(shí)還適用于飛機(jī)、無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈等裝備的定位，導(dǎo)航以及測(cè)速等應(yīng)用[18]。