一种小型化北斗导航终端圆极化天线的设计

2015-03-06左东广罗洪涛胡龙涛李峰臣

电子科技 2015年8期

左东广，罗洪涛，胡龙涛，李峰臣

(1.第二炮兵工程大学101 教研室，陕西西安 710025; 2.中国人民解放军68304 部队，陕西渭南 715299; 3.第二炮兵工程大学学员旅，陕西西安 710025)

北斗导航系统是我国自主研制的卫星导航定位系统，是继美国GPS、俄罗斯Glonass、欧洲Galileo 之后的全球第四大卫星导航系统［1］。随着技术的进步和导航系统的广泛应用，北斗导航系统对终端设备也提出了越来越高的要求，终端更具小型化、多频带、便携性、轻薄短小等特点。天线作为导航终端的重要部件之一，天线的大小和性能也直接影响着终端的优化设计。近年高性能、小型化的天线在北斗导航终端得到了广泛的应用，小型化、圆极化和多频带等问题也成为了北斗导航领域研究中的热点［2］。北斗导航系统要求天线有良好的圆极化性能。圆极化微带天线的实用意义在于:(1)圆极化天线可接受任意极化的来波，且辐射也可由任意极化天线收到。(2)在诸多领域广泛应用圆极化天线的旋向正交性。(3)圆极化波入射到对称目标时发生旋向旋转［3］，因此应用于北斗导航系统能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

微带天线易于实现线极化圆极化，具有低轮廓、体积小、重量轻、易与载体共形、易于制作等优点，因此在北斗导航系统中得到了广泛应用［4］。本文以微带贴片天线为基础，设计出了应用于北斗导航系统的单频带右旋圆极化微带天线。此北斗接收天线实现了在S 频段(2 492±6 MHz)上工作，满足了应用需要。此设计具有设计简单，易于实现，成本较低等优点。

1 理论分析

微带天线产生圆极化波的基本思路是天线激励产生两个空间正交的线极化波，并使二者振幅相等，相位差90°［5］。实现微带天线圆极化的方法可归纳为3 类:(1)引入几何微扰的单馈电法。通常引入几何微扰就是在辐射单元上切角、开槽和引入调谐枝节等，改变原有谐振模式，激发正交模。(2)附加馈电网络的多馈电法。附加的馈电网络具备功率等分和90°相移功能。在文献［6］中采用3 dB 电桥作为馈电网络，在文献［7］中的馈电网络由3 个Wikinson 功分器和宽带移相器组成，这些均采用附加馈电网络来实现圆极化天线的设计。(3)辐射单元组阵多元法。每一个馈电点对一个馈电元馈电，产生圆极化的关键是单元天线的合理布局，这种方法由于实现难度较大，因此实际应用较少。多馈电法和多元法实现圆极化虽然在轴比带宽和增益、交叉极化等方面都有优势，但附加馈电网络和天线结构的设计都很复杂，成本较高，天线尺寸大，也不利于小型化设计。单馈电圆极化微带天线无需复杂的馈电网络，结构简单，成本低廉，虽在带宽和极化性能等方面略显不足，但通过优化调整，可满足实际的应用需要。目前，单贴片辐射单元上采用切角方法实现单馈电圆极化技术已经得到了广泛应用，这种设计可使天线更加小巧便携，在实际使用中也更加灵活，这就是本设计实现圆极化特性的基本思路，右旋圆极化主要通过改变馈电点位置来实现［8］。通常使用轴比(AR，Axial Ratio)来度量圆极化的性能。

微带天线的小型化设计方法很多，有使用特殊材料基片、加载技术、开槽缝法、附加有源网络和折叠技术等。由于天线的圆极化特性对于馈电点位置、切角和辐射单元的形状，以及尺寸等较为敏感，因此需要综合考虑其小型化设计方法，对于加载技术和附加有源网络等方法实现复杂度高，考虑到设计的天线圆极化性能，开槽方法和使用特殊材料基片成为了首选，实现方法简单可行，易于操作。但是开槽对于圆极化天线需要考虑其位置、大小和布局，在文献［9］中可看出，对于圆极化微带天线，在具有对称性的辐射单元上对称的开槽是较为理想的实现方法，就是通过延长辐射单元表面电流的流径，从而降低天线的谐振频率来实现小型化。本设计就是在方形贴片上对称开两对矩形槽，从而进一步减小辐射单元的尺寸。

2 天线结构和设计

该设计采用标准50 Ω 同轴馈电，辐射单元和地板间采用相对高介电常数εr=14 的介质填充。辐射单元和地板均采用铜皮，地板大小为L×L=24.8 mm×24.8 mm，天线高度为H=4.5 mm，s 为切角边长大小，fd为馈电点位置。天线辐射单元的结构如图1 所示。

图1 天线辐射单元的结构

(1)建立微带贴片天线的基本模型如图2 所示。

图2 微带贴片天线的基本模型

根据矩形微带天线的设计理论，由单馈点微带矩形贴片天线的经验公式计算出其尺寸大小。对于方形贴片同样适用。忽略边缘缩短效应后，文中可用式(1)进行计算

北斗导航接收天线的中心频率f0=2.492 GHz，其中c=3×108m/s，εr=14。代入式(1)计算出L0≈16.1 mm。

(2)在辐射单元上切角，实现圆极化性能。在初步确立了基本的辐射单元尺寸，建立基本模型之后，采用辐射单元切出两个等腰三角形元，实现天线的圆极化性能。北斗导航接收天线要求右旋圆极化特性，所以根据微带天线的基本理论和分析方法及文献［1］中做出的具体阐述，文中得知实现右旋圆极化特性，必须选择好馈电点的参考位置。本设计馈电点选择在x 轴上，轴比特性在最终的仿真结果中给出，s 对S11参数的影响如图3 所示。

图3 s 大小对S11的影响

由图3 可看出，切角s 的大小对S11和中心频率都会产生影响。适当大小的切角有利于天线性能的优化。可看出，从1.3 mm 加大到1.7 mm，S11逐渐降低，由于切角本身就减小了辐射单元的尺寸，中心频率发生了较大偏移，随着切角尺寸的增大向高频偏移。因此切角大小有利于圆极化特性的实现，但不可过大选取切角，因为过分的减小天线尺寸，会使天线带宽和增益等性能下降，甚至出现恶化。适当的切角大小有助于调整中心频率和S11，对优化天线的圆极化特性作用明显。

(3)对称加载小缝隙，实现进一步的小型化设计。在文献［9］提出了对于对称结构的辐射单元，对称开槽实现小型化的方法可行，本设计基于此思路，在保持步骤(2)中尺寸不变的情况下，在有切角的方形贴片上4 个边沿中心位置开4 个小矩形缝隙，设沿y 轴边长为k，沿x 轴边长为t。调整其尺寸大小。探讨几种因素对天线性能的影响。

1)馈电点位置(fd，0)对S11的影响。由图4 可看出，在其他参量保持不变，切角也保持不变的情况下，馈电点(fd，0)对天线的S11和中心频率有着明显的影响。当馈电点远离辐射单元的中心时，中心频率的回波损耗会逐渐降低，但中心频率的偏移量较小。可看出在fd=1.7 mm 时，S11达到了最优。继续远离时，S11则逐渐变差。这是因为在某一个位置与特性阻抗达到了良好匹配后，继续远离Patch 中心，则会出现失配。因此调整馈电点位置，对天线性能的优化非常关键。

图4 fd 对S11的影响

2)开槽的边长(k，t)大小对天线S11的影响。由图5可看出，随着k 和t 尺寸的逐渐加大，S11的性能在变差，谐振频率在向低频移动，且激发出另一个谐振点。说明开槽不宜过大，过分的追求天线小型化，会造成天线性能的下降甚至恶化。最终优化得到的天线尺寸如表1 所示。

表1 天线优化后的尺寸 mm

图5 (k，t)大小对S11的影响

3 仿真结果及讨论

(1)回波损耗。由图6 可看出，该天线覆盖了北斗导航接收天线的S 频带，中心频率附近出现了一个平谷，约10 MHz。在2.49 GHz 处S11约为－19.04 dB。S11＜－10 dB(VSWR ＜2)时阻抗带宽为2 460 ～2 542 MHz，比工程应用中的S 频带带宽优越。

图6 S11参数和VSWR

(2)轴比。由图7 可看出，天线实现了圆极化的工作方式，在3 dB 以下的频率范围为2.486 ～2.498 GHz，覆盖了北斗的2.492 GHz 频点，在频点2.492 GHz 处的轴比最小，约为0.438 dB，3 dB 轴比带宽为12 MHz;AR ＜3 dB的波束宽度范围约为－56°～56°。

图7 轴比和3 dB 波束宽度

由图8(a)中可看出，在－57°～57°范围内，天线的总增益右旋圆极化波近似相等，表明天线辐射右旋圆极化波。图8(b)看出天线的最大辐射方向为θ=0°，φ=0°，最大增益约为3.04 dB。

4 结束语

本文设计了一款单馈电的小型圆极化微带天线，并借助HFSS 软件进行了仿真，从仿真结果来看，满足了北斗导航接收天线的设计要求。虽本设计的方法较为简单、易于实现、设计难度较低，但也存在轴比带宽较窄等不足，考虑到为保证良好的圆极化性能，在小型化设计上还存在方法单一，小型化效果不明显的问题，还有待进一步深入研究。随着北斗导航终端的广泛应用，终端天线向着小型化、多频带、宽带化的方向发展，也将成为研究热点［10］。