卫星导航接收机系统中的多层圆极化微带天线设计

王喜龙，魏昆

（1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁葫芦岛125000；2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129）

卫星导航接收机系统中的多层圆极化微带天线设计

王喜龙1，魏昆2

（1.海军驻葫芦岛四三一厂军事代表室，辽宁葫芦岛125000；2.西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129）

卫星导航接收机系统有时需要在较小的区域中放置多个不同频率的圆极化接收天线。通过研究并设计出一种GPS的L1和L2双频点双层叠放圆极化天线，可以在很大程度上节约空间。该天线上下层是两个独立的单馈点天线，可以分别在L1和L2频段独立工作，分别为右旋圆极化和左旋圆极化，可作接收天线和发射天线。天线由厚度为4 mm的复合材料加工而成，调试和组装均比较方便。经过仿真分析优化，设计的天线增益较高，极化特性优良，带宽满足要求，完全适合于卫星导航接收机系统的应用。

圆极化；微带天线；双层叠放；单馈点

0 引言

随着信息技术的发展，对天线性能的要求也越来越高，以往单纯的线极化天线己很难满足人们的需求。圆极化微带天线[1⁃6]由于结合了微带天线诸如结构紧凑、体积小、重量轻、剖面低、容易制造、易于集成并可附着于任意表面等优点和圆极化波能抑制雨雾的干扰、抗多径反射、具有更好的移动性等优点，目前已广泛应用于卫星通信、雷达、移动通信以及各种无线通信设备当中。随着这些系统的发展，越来越需要多频点圆极化微带天线。

多频段天线最常见的形式包括多层天线[7]和缝隙天线[8]。一般多层天线通常是相同极化模式的双频点天线，而缝隙天线结构比较复杂，不易加工。

本文设计一个双频点多层圆极化微带天线，两个频点分别是：GPS的L1：1.575 42 GHz，L2：1.227 6 GHz。天线结构共有两层，上下两层均采用单馈点切角结构[9]，分别用同轴线馈电，共有两个馈电口，L1频点天线是左旋圆极化天线，L2频点天线是右旋圆极化天线，可作为发射天线和接收天线使用。使用HFSS软件给出天线的仿真结果，并对结果进行分析。

1 天线设计

本文设计一个双层L1和L2右旋圆极化微带天线，具有较低的轴比，较好的带宽特性和较高的增益。

天线模型如图1所示，在直径100 mm的金属底板上放置两层单馈电右旋圆极化微带天线，上层L1频段天线，下层L2频段天线，天线采用同轴线馈电方式，有两个馈电点（相对位置差90°）分别对上、下两层天线馈电，上层天线的馈电同轴线从下层天线通孔穿过。

图2给出影响天线性能的3个变量，a是方形贴片的边长，决定谐振频点的位置，a越大，谐振频点越小，反之亦然；馈电点位置尺寸b主要影响天线输入阻抗。以上两个参数对天线性能的影响已经在经典微带天线理论中有所体现，本文不做详细分析。切角尺寸c的长度决定极化简并分离单元Δs，这对单馈电圆极化微带天线的圆极化性能有着至关重要的影响。

图1 双层天线模型

图2 天线贴片尺寸示意图

2 天线仿真

本文主要分析上层L1频段天线切角尺寸c变化对上层和下层天线的影响。L1频段天线切角尺寸c取三组数值分别为c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真结果如图3～图8所示，每个图形中都有三条曲线，分别是天线的某一个性能指标在L1频段天线切角尺寸c变化下所对应的曲线。其中虚线为c=5 mm所对应参数曲线，实线为c=5.5 mm所对应参数曲线，点线为c=6 mm所对应参数曲线。

图3、图5和图7是L1频段天线切角尺寸c变化对L2频段天线性能影响的图形，由图得出上层L1频段天线切角尺寸c的变化对下层L2频段天线性能影响不大。

图3 L2天线S11参数值

图4、图6和图8是L1频段天线切角尺寸c变化对自身性能影响的图形。由图得出切角尺寸c的变化不会使谐振频点发生变化，但会影响谐振深度；切角尺寸c对天线增益没太大影响；切角尺寸c主要影响天线轴比，即圆极化性能，这与理论分析完全一致，可以通过试探法找出一个系统最优值。

通过仿真发现，L2频段天线切角变化也有同样的结论，本文没有一一列举。

通过综合比较，得出一组较优解，具体尺寸如下：

L2频段天线尺寸：介质板介电常数为3，尺寸为70 mm× 70 mm，厚度为4 mm；贴片尺寸为a=66.5 mm，b=18.4 mm，c=4.5 mm。

图4 L1天线S11参数值

图5 L2天线增益值

图6 L1天线增益值

图7 L2天线轴比值

图8 L1天线轴比值

L1频段天线尺寸：介质板介电常数为3，尺寸为58 mm× 58 mm，厚度为4 mm；贴片尺寸为a=52.5 mm，b=14.9 mm，c=5.5 mm。

以下为天线仿真结果，图9是天线S11参数值，图中实线是L2频段天线S11值，虚线是L1频段天线S11值。L2频段天线-10 dB带宽共50 MHz，L1频段天线-10 dB带宽共30 MHz。

图9 双层天线S11参数值

图10是天线极化参数曲线。从图中可以看出，L2频段天线是右旋圆极化，L1频段天线是左旋圆极化。

图10 双层天线极化参数曲线

图11是天线在方位角为0°时，天线的空间增益值随俯仰角θ变化的图形，L1频段最大增益为8.2 dB，L2频段最大增益为7.8 dB。L2频段最大增益小于L1频段最大增益，原因是下层天线有一部分能量被上层介质板反射，没有辐射到远场区。

图11 双层天线增益参数值

图12是天线方位角φ=0°，轴比随俯仰角θ变化的曲线，实线表示L2频段天线，虚线表示L1频段天线。从图中可以看出在0°<θ<60°范围内轴比小于3 dB，圆极化性能较好。

图12 天线轴比性能

3 结语

由于卫星导航接收机系统逐渐微小化，往往要求设计出在狭小空间上可以分别接受不同频段信号的天线。多层叠放天线是一种解决方案，而由于天线层之间干扰较多，因此设计多层圆极化微带天线是一项困难的工作。本文设计了一款针对卫星导航接收机系统的双层叠放天线，可以独立接收L1和L2频段信号。该天线上下两层均采用单馈点切角结构，有良好的带宽、增益和极化性能。

另外，针对天线的单馈点结构，本文对天线各项尺寸参数尤其是切角尺寸进行了详细分析。天线边长的大小可以影响到天线谐振点的位置，馈电点的位置主要影响输入阻抗值；天线切角的尺寸大小主要会影响到天线极化轴比的性能，而对其输入阻抗影响很小。这些分析的结论可以给天线设计者一些有用的建议和参考。

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Design of multi⁃layer circularly polarized microstrip antenna in satellite navigation receiver system

WANG Xi⁃long1，WEI Kun2
（1.Navy Representative Office of 431 Plant，Huludao 125000，China；2.School of Electronics and Information，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710129，China）

Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite naviga⁃tion receiver system.The double⁃deck circularly polarized antenna，which receives signals from the GPS withL1frequency point andL2frequency point is studied and designed to save space.The double⁃deck antenna consists of two separate single feed point antenna，which is working atL1frequency range andL2frequency range independently，right⁃hand circular polarization and left⁃hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna.It′s easy to debug and in⁃stall since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material.The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain，excellent polarization and qualifies bandwidth requirement，and it is suitable for satel⁃lite navigation receiver system application.

circular polarization；microstrip antenna；double⁃deck superposition；single feed point

TN820.1⁃34

A

1004⁃373X（2015）09⁃0065⁃03

王喜龙（1975—），男，辽宁省锦州市人，工程硕士，高级工程师。主要研究方向为微带天线设计及研究。

2014⁃11⁃05