小型化北斗导航圆极化天线研究

于家傲+姜永金+李有权+鞠志忠

摘 要： 结合多种贴片开槽方案，采用正交馈电圆极化激励方式，实现了一款北斗B3（1 268.52±10） MHz频点导航天线的小型化设计。通过电磁仿真软件HFSS对其结构参数进行优化仿真分析，数值结果表明：小型化天线在B3处的顶空增益为3.69 dB，低仰角增益≥-1.5 dB（≤±70°），反射损耗小于-10 dB的带宽为20 MHz，带内轴比≤2 dB。该小型化天线贴片尺寸相比同介电常数基板的同频点未开槽天线缩小72.8%，具有一定的应用前景。

关键词： 微带天线； 圆极化； 小型化； 开槽

中图分类号： TN821+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0079?03

Research on circularly polarization microstrip antenna for miniaturized

Beidou navigation system

YU Jia?ao， JIANG Yong?jin， LI You?quan， JU Zhi?zhong

（Air Force Early Warning Academy， Wuhan 430019， China）

Abstract：Combining with the variety of slotting plans， a miniaturized designed of frequency point navigation antenna of Beidou?B3 frequency （1 268.52±10 MHz） with the incentive method of circular polarization orthogonal feedback is realized. The structure parameter is simulated and analyzed through HFSS， the numerical result shows that the peak gain value at B3 is 3.69 dB， low elevation gain （±70°）≥-1.5 dB. The bandwidth is 20 MHz when the return loss is less than -10 dB， and the axial ratio value≤2 dB. The proposed antenna?size reduced by about 72.8% as compared to the no slot antenna with the same frequency point of the same dielectric constant substrate and at a given operating frequency， it has a certain application prospect.

Keywords： microstrip antenna； circularly polarization （CP）； miniaturized； slot

0 引 言

“北斗”卫星导航系统（COMPASS Navigation Satellite System，CNSS）是我国自主研发的全球卫星定位与通信系统。随着“北斗”卫星导航系统的逐步应用，导航终端日益趋向便携：轻、薄、短、小，这对导航终端天线提出了更高的要求，因此，研制应用于“北斗”卫星定位接收机的小型化、高性能的微带天线也就得到了越来越广泛的重视[1]。在实际应用中，由于北斗天线的工作频率较低，其天线尺寸较大，不便于安装和携带，因而北斗圆极化天线的小型化问题也就成了该领域的热点。

目前，微带天线小型化的实现方法主要有：采用特殊介质基片、加载短路探针、贴片表面开槽、附加有源网络、采用特殊微带贴片形式等[2?3]。最常用的一种方法是采用高介电常数的介质基片来减小微带天线尺寸，但这种方法的主要缺陷是：天线激励出较强的表面波，表面损耗较大，使增益减小；效率降低；带宽窄。为提高增益，常在天线表面覆盖高介电常数介质，但这样又增加了天线的厚度。

文献[4?5]采用贴片表面开槽形式分别实现了两款小型化天线，设计天线同传统天线相比，天线尺寸分别下降了36%、50%。本文采用米字型开槽方案，设计了一款小型化北斗导航天线，并利用HFSS仿真软件对不同开槽方案进行了分析比较。仿真结果表明，米字型开槽天线与相同基板的未开槽天线相比，尺寸缩减72.8%，天线带宽、增益、轴比等指标满足设计要求。进一步对米字型开槽天线与传统高介电常数的小型化天线进行比较分析，仿真结果表明，采用低介电常数基板的开槽天线可以有效降低天线生产过程中制造公差对天线性能带来的影响，从而提高天线生产的一致性。

1 天线结构及理论分析

天线结构如图1所示，贴片以虚线所示正方形为基础，在四个边突出宽为[La，]长为[Wa]的矩形枝节，其中正方形边长[La=]20.4 mm，枝节长[Wa=]6 mm。在贴片中进行米字型开槽，缝隙宽[Wg=]1 mm，缝隙长度分别为[Lx=]12 mm，[Ls=]13.3 mm。基板相对介电常数[εr=9，]尺寸为35 mm×35 mm×8 mm，贴片铜箔厚0.018 mm，在基板四个角位置用螺钉固定，螺钉直径[Ra=]2.3 mm，螺钉中心位置距边缘[a=]2.5 mm。馈电点距中心距离[d=]2 mm，采用正交馈电激励圆极化[6]。

图1 天线结构

通过微带天线谐振频率公式：

[f?c2Leεr]

式中：[Le]为电流路径有效长度；c为光速[7]。

由上式可知，贴片上电流路径的有效长度的增加会使天线的谐振频率下降，而对于固定频率的天线减小天线尺寸可以达到天线小型化的目的。通过对贴片开槽、弯折路径，形成图1所示的结构，该开槽阻挡了矩形贴片上的电流，从而改变了其电流分布，如图2所示。从同轴线馈送到辐射贴片的电流由于受到弯折缝隙的阻挡，可以认为在缝隙所围区域产生了一个假想的更大尺寸的辐射贴片，所以可以通过改变弯折缝隙的尺寸大小来改变其频率特性[8]。

2 HFSS仿真结果与分析

2.1 与相同介电常数的天线比较

采用相同介电常数基板对表面未开槽天线进行仿真，如图2（a）所示，当谐振频率为1.268 GHz时，其贴片面积为1 322.89 mm2；若采用表面开槽天线时，其贴片面积为765.5 mm2，两者相比，表面开槽方案比未开槽方案，贴片面积缩小72.8%。紧接着，对采用相同介电常数的基板的不同开槽方案进行了仿真比较，仿真结果如图3所示，性能比较见表1。

图2 天线面电流比较

图3 不同开槽方案分析

由分析结果可知，通过在天线表面增加开槽路径，可以使得天线谐振频点不断下降，但随着开槽路径的增加，其顶峰增益略有降低；米字型开槽方案同未开槽方案相比，增益下降0.5 dB；天线表面开槽后带宽略有变窄，米字型开槽方案与未开槽方案对比，带宽减小了5 MHz；由于天线的电流分布被打乱，天线轴比稍变差，如图3（b）所示，顶峰轴比在带内总体小于2 dB，低仰角轴比（70°）在带内总体小于7.5 dB。

2.2 与高介电常数天线比较

针对北斗B3频点，在贴片尺寸相同的情况下，开槽天线采用了介电常数[εr=9]的基板，而未开槽天线需采用[εr=13.5]的基板，两者增益比较如图4（a）所示，米字型开槽天线和未开槽天线增益同比下降约0.2 dB。在此基础上，对两种天线方案的枝节长度进行调节。

当两种天线的枝节长度[Ra]分别缩短1 mm时，仿真结果如图4（b）所示，介电常数[εr=13.5]的天线，其谐振频点向高频漂移了24 MHz，而[εr=9]的天线谐振频点向高频偏移了10 MHz。由此可见，采用低介电常数作为基板可以改善制造公差对天线在制造中的影响，降低工程误差对天线的敏感度，进而提高天线一致性。

图4 对不同介电常数基板分析

3 结 论

本文采用天线表面米字型开槽方案设计了一款北斗B3频点的小型圆极化天线，该方案可以有效地降低天线尺寸，并保持顶峰增益和低仰角增益基本不变。虽然表面开槽会导致带宽变窄、轴比变差，但可以满足该天线所提指标要求。同时，该方案在满足天线小尺寸要求的同时，降低了天线所采用基板的相对介电常数，可以改善制造中天线制造公差对天线一致性的影响。为天线组阵，改善由高介电常数带来的表面波效应，提供了思路。未来将从改善天线[Q]值、使用四馈电点馈电的方式进一步提高表面开槽小型化天线的带宽、轴比等性能。

参考文献

[1] 谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008，29（2）：391?396.

[2] 薛睿峰，钟顺时.微带天线小型化技术[J].电子技术，2002，3 （3）：190?192.

[3] WONG K L. Compact and Broadband Microstrip Antennas [M]. USA： John Wiley & Sons inc， 2002.

[4] CHEN W S， WU C K， WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagate， 2001， 49（3）： 340?342.

[5] ROW G S， YEH S H， WONG K L. Compact dual?polarized microstrip antennas [J]. Microwave Optical Technology Letters， 2000， 27（4）： 284?287.

[6] 薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002，17（4）：331?336.

[7] 全巍，延波，王金洪，等.基于LTCC技术的微带缝隙E型贴片天线研究[J].微波学报，2010（8）：116?118.

[8] 柳青.小型化宽带化微带天线[D].成都：电子科技大学，2008.

[f?c2Leεr]

式中：[Le]为电流路径有效长度；c为光速[7]。

由上式可知，贴片上电流路径的有效长度的增加会使天线的谐振频率下降，而对于固定频率的天线减小天线尺寸可以达到天线小型化的目的。通过对贴片开槽、弯折路径，形成图1所示的结构，该开槽阻挡了矩形贴片上的电流，从而改变了其电流分布，如图2所示。从同轴线馈送到辐射贴片的电流由于受到弯折缝隙的阻挡，可以认为在缝隙所围区域产生了一个假想的更大尺寸的辐射贴片，所以可以通过改变弯折缝隙的尺寸大小来改变其频率特性[8]。

2 HFSS仿真结果与分析

2.1 与相同介电常数的天线比较

采用相同介电常数基板对表面未开槽天线进行仿真，如图2（a）所示，当谐振频率为1.268 GHz时，其贴片面积为1 322.89 mm2；若采用表面开槽天线时，其贴片面积为765.5 mm2，两者相比，表面开槽方案比未开槽方案，贴片面积缩小72.8%。紧接着，对采用相同介电常数的基板的不同开槽方案进行了仿真比较，仿真结果如图3所示，性能比较见表1。

图2 天线面电流比较

图3 不同开槽方案分析

由分析结果可知，通过在天线表面增加开槽路径，可以使得天线谐振频点不断下降，但随着开槽路径的增加，其顶峰增益略有降低；米字型开槽方案同未开槽方案相比，增益下降0.5 dB；天线表面开槽后带宽略有变窄，米字型开槽方案与未开槽方案对比，带宽减小了5 MHz；由于天线的电流分布被打乱，天线轴比稍变差，如图3（b）所示，顶峰轴比在带内总体小于2 dB，低仰角轴比（70°）在带内总体小于7.5 dB。

2.2 与高介电常数天线比较

针对北斗B3频点，在贴片尺寸相同的情况下，开槽天线采用了介电常数[εr=9]的基板，而未开槽天线需采用[εr=13.5]的基板，两者增益比较如图4（a）所示，米字型开槽天线和未开槽天线增益同比下降约0.2 dB。在此基础上，对两种天线方案的枝节长度进行调节。

当两种天线的枝节长度[Ra]分别缩短1 mm时，仿真结果如图4（b）所示，介电常数[εr=13.5]的天线，其谐振频点向高频漂移了24 MHz，而[εr=9]的天线谐振频点向高频偏移了10 MHz。由此可见，采用低介电常数作为基板可以改善制造公差对天线在制造中的影响，降低工程误差对天线的敏感度，进而提高天线一致性。

图4 对不同介电常数基板分析

3 结 论

本文采用天线表面米字型开槽方案设计了一款北斗B3频点的小型圆极化天线，该方案可以有效地降低天线尺寸，并保持顶峰增益和低仰角增益基本不变。虽然表面开槽会导致带宽变窄、轴比变差，但可以满足该天线所提指标要求。同时，该方案在满足天线小尺寸要求的同时，降低了天线所采用基板的相对介电常数，可以改善制造中天线制造公差对天线一致性的影响。为天线组阵，改善由高介电常数带来的表面波效应，提供了思路。未来将从改善天线[Q]值、使用四馈电点馈电的方式进一步提高表面开槽小型化天线的带宽、轴比等性能。

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[8] 柳青.小型化宽带化微带天线[D].成都：电子科技大学，2008.

[f?c2Leεr]

式中：[Le]为电流路径有效长度；c为光速[7]。

由上式可知，贴片上电流路径的有效长度的增加会使天线的谐振频率下降，而对于固定频率的天线减小天线尺寸可以达到天线小型化的目的。通过对贴片开槽、弯折路径，形成图1所示的结构，该开槽阻挡了矩形贴片上的电流，从而改变了其电流分布，如图2所示。从同轴线馈送到辐射贴片的电流由于受到弯折缝隙的阻挡，可以认为在缝隙所围区域产生了一个假想的更大尺寸的辐射贴片，所以可以通过改变弯折缝隙的尺寸大小来改变其频率特性[8]。

2 HFSS仿真结果与分析

2.1 与相同介电常数的天线比较

采用相同介电常数基板对表面未开槽天线进行仿真，如图2（a）所示，当谐振频率为1.268 GHz时，其贴片面积为1 322.89 mm2；若采用表面开槽天线时，其贴片面积为765.5 mm2，两者相比，表面开槽方案比未开槽方案，贴片面积缩小72.8%。紧接着，对采用相同介电常数的基板的不同开槽方案进行了仿真比较，仿真结果如图3所示，性能比较见表1。

图2 天线面电流比较

图3 不同开槽方案分析

由分析结果可知，通过在天线表面增加开槽路径，可以使得天线谐振频点不断下降，但随着开槽路径的增加，其顶峰增益略有降低；米字型开槽方案同未开槽方案相比，增益下降0.5 dB；天线表面开槽后带宽略有变窄，米字型开槽方案与未开槽方案对比，带宽减小了5 MHz；由于天线的电流分布被打乱，天线轴比稍变差，如图3（b）所示，顶峰轴比在带内总体小于2 dB，低仰角轴比（70°）在带内总体小于7.5 dB。

2.2 与高介电常数天线比较

针对北斗B3频点，在贴片尺寸相同的情况下，开槽天线采用了介电常数[εr=9]的基板，而未开槽天线需采用[εr=13.5]的基板，两者增益比较如图4（a）所示，米字型开槽天线和未开槽天线增益同比下降约0.2 dB。在此基础上，对两种天线方案的枝节长度进行调节。

当两种天线的枝节长度[Ra]分别缩短1 mm时，仿真结果如图4（b）所示，介电常数[εr=13.5]的天线，其谐振频点向高频漂移了24 MHz，而[εr=9]的天线谐振频点向高频偏移了10 MHz。由此可见，采用低介电常数作为基板可以改善制造公差对天线在制造中的影响，降低工程误差对天线的敏感度，进而提高天线一致性。

图4 对不同介电常数基板分析

3 结 论

本文采用天线表面米字型开槽方案设计了一款北斗B3频点的小型圆极化天线，该方案可以有效地降低天线尺寸，并保持顶峰增益和低仰角增益基本不变。虽然表面开槽会导致带宽变窄、轴比变差，但可以满足该天线所提指标要求。同时，该方案在满足天线小尺寸要求的同时，降低了天线所采用基板的相对介电常数，可以改善制造中天线制造公差对天线一致性的影响。为天线组阵，改善由高介电常数带来的表面波效应，提供了思路。未来将从改善天线[Q]值、使用四馈电点馈电的方式进一步提高表面开槽小型化天线的带宽、轴比等性能。

参考文献

[1] 谭述森.北斗卫星导航系统的发展与思考[J].宇航学报，2008，29（2）：391?396.

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[6] 薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报，2002，17（4）：331?336.

[7] 全巍，延波，王金洪，等.基于LTCC技术的微带缝隙E型贴片天线研究[J].微波学报，2010（8）：116?118.

[8] 柳青.小型化宽带化微带天线[D].成都：电子科技大学，2008.