小型雙頻圓極化微帶天線

1 引 言

由于微帶天線的尺寸小、成本低、易加工的諸多特點(diǎn)，微帶天線在衛(wèi)星通信及衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域得到廣泛使用。近年，隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，可同時(shí)接收多個(gè)頻段信號(hào)的衛(wèi)星接收天線的設(shè)計(jì)得到了廣泛重視。微帶天線多數(shù)加工在高介電常數(shù)的介質(zhì)上，這種天線在低仰角性能好，并且?guī)捿^寬，同時(shí)具有良好的廣角圓極化特性。微帶天線的雙頻化方法很多，根據(jù)不同形狀的微帶天線，實(shí)現(xiàn)雙頻的方式也不同。若用單饋點(diǎn)方式實(shí)現(xiàn)雙頻化，一般有兩種方式：一種是使用一塊貼片，如通過加載或者開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(xiàn)雙頻或者多頻工作，另一種是使用雙層貼片。但是通常的報(bào)道中，雙層貼片天線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(shè)計(jì)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，天線通過單個(gè)探針饋電，雙層正方形切角的微帶貼片天線印制在相同介電常數(shù)的介質(zhì)上，與一般的雙層圓極化微帶貼片天線相比，由于沒有在兩層貼片之間引入空氣層，兩層之間的介電常數(shù)也相同，從而天線的尺寸變小了，天線結(jié)構(gòu)緊湊，更加便于生產(chǎn)加工。

2天線模型

2.1單饋點(diǎn)圓極化雙頻微帶天線

單饋點(diǎn)無需任何移相網(wǎng)絡(luò)和功率分配器就可以實(shí)現(xiàn)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(nèi)引入某種不對(duì)稱性，以便消除這兩個(gè)模的簡(jiǎn)并性。單饋點(diǎn)圓極化微帶天線的幾何結(jié)構(gòu)有(準(zhǔn))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的示意圖。這種后饋式單饋點(diǎn)圓極化微帶天線是通過天線基片背面一點(diǎn)饋電，在A型中把饋點(diǎn)F放置在x軸上，在B型中把饋電點(diǎn)設(shè)定在對(duì)角線上，通過附加簡(jiǎn)并分離單元△S來解出簡(jiǎn)并模的衰減。簡(jiǎn)并分離單元的符號(hào)在A型中取為負(fù)(△S0)，在B型中取為正(△S>0)。對(duì)于A型O△S／SO=1／2Q；對(duì)于B型O△S／SO=1／Q，其中Q為微帶天線的品質(zhì)因數(shù)。

本文所設(shè)計(jì)的天線采用雙層貼片，上、下層貼片均加工在厚度為3 mm，介電常數(shù)為9.2的介質(zhì)材料上，如圖2所示。

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

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

2.2 天線方向圖和S參數(shù)的計(jì)算

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

計(jì)算采用自適應(yīng)求解過程，迭代次數(shù)設(shè)為6，每次計(jì)算要比前次計(jì)算所剖分的網(wǎng)格數(shù)增加20％，2次計(jì)算得到的S參數(shù)的幅度和相位改變量小于0.2或計(jì)算滿6次，則求解結(jié)束。計(jì)算所得的S參數(shù)反映了輸入端口能量的反射及能量的利用率。軸比則反映了天線輻射圓極化波的性能。

3天線的仿真結(jié)果

雙頻天線的S參數(shù)、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，天線的S參數(shù)均小于-12 dB，從而能夠完成接收衛(wèi)星信號(hào)的功能。

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

由圖5(a)可以看出，天線工作在1.27 GHz時(shí)，在-70°～70°之間的軸比小于3.5，當(dāng)天線工作在1.57 GHz時(shí)，天線從-70°～90°的軸比都小于3.5，基本能夠滿足GPS系統(tǒng)對(duì)天線軸比的要求。

4結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)雙頻段圓極化微帶天線，該天線能夠工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。該天線選用同種介電常數(shù)的材料，采用單饋點(diǎn)的方式，使得微帶天線能夠工作在雙頻，與常規(guī)的微帶雙頻天線相比，因?yàn)樵趦蓪游炀€之間沒有引入空氣層，該天線具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，而且天線的兩層使用了同種材料，也便于加工。同時(shí)本文的設(shè)計(jì)方法可應(yīng)用于其他雙頻及多頻天線的設(shè)計(jì)。