双频双圆极化北斗天线的设计

钱建增，张 辉，郭 滨，邢红兵，王洪金

(1.江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江 212013;2.镇江红宝利电子有限公司，江苏镇江 212000)

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)和俄罗斯全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)之后第3个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站。北斗卫星导航系统中的S频段和L频段可以实现位置定位和北斗短信的收发，在日常交通特别是在海洋运输和渔船劳作中发挥着重要的作用。

天线作为收发信号的转换媒介对通信系统至关重要。由于电磁波在穿透电离层时会发生法拉第旋转效应，线极化电波信号会产生极化面相对入射波的旋转，而圆极化对所有的平面极化效应相当且不需要地球平面作为参考，因此卫星通信中通常采用圆极化天线［1－2］。圆极化天线的主要特点体现在［3］:(1)圆极化天线可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到。(2)圆极化天线具有旋向正交性。(3)极化波入射到对称目标时旋向逆转，不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。

北斗卫星通信系统采用圆极化信号进行传输，其中L频段采用左圆极化发送终端设备的短信、定位申请等信息;S频段采用右圆极化接收短信、定位信息等。天线是无线电设备中用于发射和接收电磁波的部件，其尺寸直接影响着设备体积，为减小天线对设备体积的影响，在无线通信系统中常采用电磁波在传播时产生波长缩短效应的微带天线。微带天线具有剖面低，能与载体共形，制造成本低，易于批量生产等多功能特点，广泛应用于卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备中［4－5］。采用工作在不同频段的多个微带天线层叠起来，可以使天线实现多频段操作。如文献［6］中提出一款双层贴片天线，利用正交馈电的方式实现GPS的L1、L2频率。目前较常用的北斗终端天线尺寸较大，不利于手持移动设备的使用。为缩小天线的尺寸，且不影响系统接收信号的质量，本文提出了一种工作在L频段和S频段的双频微带天线的设计方案。双频北斗天线由两层贴片构成，上层贴片工作在高频的S频段，下层贴片工作在低频的L频段，使用单馈电法实现L频段的左圆极化和S频段的右圆极化，仿真结果表明本天线在两个频段的回波损耗S11均＜10 dB，各项指标均能达到北斗导航卫星系统对天线的参数要求。

1 天线结构及设计原理

工作在L频段和S频段的北斗天线采用双层贴片结构，两层贴片间填充高度为h1和h2、介电常数为εU和εD的介质，其结构如图1所示，上层贴片为边长L1的正方形工作在S频段用于接收北斗卫星系统发射的右圆极化(RHCP)定位信号，下层贴片为边长L2的正方形工作在L频段用于发射左圆极化(LHCP)短信信号。

图1 北斗天线侧视图

1.1 天线尺寸的确定

根据传输线理论，基片介电常数为εr边长为L厚度为h的正方形贴片所形成的天线，如图2所示，其工作频率为［7］

式中，c为自由空间的光速3×108 m/s;Δl为传输线模型的等效长度;εe为等效介电常数。

根据式(1)～式(3)和天线工作频率f，即可得到天线长度L。

图2 矩形微带天线模型

1.2 天线右圆极化的实现

天线的圆极化通过对天线的两极加入互相正交的极化波实现，通常采用单馈法和双馈法。双馈法天线由输入端来的电磁波经电桥移相90°后分成两路馈电，因此，双馈法需要引入电桥增大天线的体积。为保证天线的小型化故本天线采用单馈法，单馈法无需任何移相网络和功率分配器就可实现圆极化辐射。基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化波的简并模，并在腔体内引入某种不对称性，以便消除这两个模的简并性。当设计得当时，其中一个模电压的相位比所加电流超前45°，而另一个模的相位则滞后45°，故其远区辐射场将为圆极化波［7］。

采用将贴片的对角切掉边长为a的等腰直角三角形，从而对贴片幅射的电磁场产生微扰动的方法可以实现圆极化，且切掉的三角形面积与贴片天线面积之比必须满足

其中，S为贴片的面积;ΔS为切掉的等腰三角形的面积，如图3所示，本天线的S段天线即采用这种方法实现的。

图3 产生右圆极化的上层天线贴片

1.3 天线小型化研究与左圆极化实现

便携式设备的小型化、微型化已成为趋势。由于天线的谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比［8］，因此在贴片天线的表面开槽，可以增加贴片的电流路径的长度，相当于天线的有效长度增大。从而在天线谐振频率固定的情况下，缩小了天线的几何尺寸。

因此，下层天线采用表面开U型槽的贴片，如图4所示，在边长为L2的正方形贴片上开U型槽，左臂长LW，右臂长为RW，底边长为DW。当U型槽的左右臂长相等时，即LW=RW，天线产生线极化波;当U型槽的左臂长LW大于右臂长度RW时可以实现左圆极化;而当U型槽的左臂长LW小于右臂长度RW时天线辐射右圆极化波。为此，用于手持设备发送短信的L频段天线采用不对称臂的U型槽结构，实现天线辐射左圆极化波。

图4 能够实现左圆极化波的贴片天线

由式(1)可知介质的介电常数的平方根与频率成反比，因此增大介质的介电常数也可有效缩小天线的尺寸。但是高介电常数会提高辐射品质因数，从而增大天线的Q值，减小天线的带宽。如果天线带宽太窄，当信号发生漂移时将无法收到带外信号，因此介电常数又不能无限增大。

因此本天线下层介质采用介电常数较高的Rogers RO3006。使用高介电常数(εr=6.15)且开槽的天线较使用低介电常数(εr=4.4)的正方形贴片几何尺寸(长度为43.6 mm)减小24%。

2 天线仿真结果与分析

应用Ansoft公司的HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真，经优化后，当上层贴片边长L1=26.18 mm，对角切角边长a=6.25 mm，介质厚度h1=1.5 mm。下层贴片边长L2=33 mm，U型槽左臂LW=10.25 mm，右臂RW=8.1 mm，开槽宽度w=1.5 mm，底端开槽长度DW=3.9 mm，底端到中心距离D=3.9 mm，介质厚度h2=2.1 mm时天线性能达到最优，天线的S11分布如图5所示。

图5 天线的S11参数

如图5所示，天线在L频段内的回波损耗，S11＜－10 dB带宽为26 MHz;在S频段内的回波损耗S11＜－10 dB带宽为63 MHz。

图6是天线在L频段的E面方向图和H面方向图，其中实线为左圆增益(LHCP)虚线为右圆增益(RHCP)。由图可知，天线的左旋增益可达3 dB天线E面的3 dB波瓣宽度达到150°(－75°～75°)H面的增益达到3 dB且3 dB波瓣宽度也达到145°(－70°～75°)。LHCP电平＞RHCP电平15 dB以上，可见，该天线在L频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰能力。

图6 天线在L频段的增益

图7为天线在S频段的E面方向图和H面方向图，其中实线为右圆增益(RHCP)虚线为左圆增益(LHCP)。由图可知，天线的右旋增益可达4 dB天线E面的3 dB 波瓣宽度达到130°(－65°～65°)，H 面的增益达到3 dB且3 dB波瓣宽度也达到160°(－75°～85°)。RHCP电平大于LHCP电平15 dB以上，可见，该天线在S频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰的能力。

图7 天线在S频段的增益

3 结束语

本文设计的单馈电法能够应用于移动手持设备的双频北斗终端天线，天线工作在L(1 615 MHz)和S(2 491 MHz)频段。天线上层采用正方形切角引入串扰的方法在S频段实现右圆极化，下层贴片采用不对称臂U形槽结构在L频段实现左圆极化，在两个频段上均能实现北斗对天线性能指标的要求，且体积小、厚度薄、结构简单、易于加工，有利于北斗设备的使用和推广。

［1］杨杰，卢春兰，沈菊鸿.双频双圆极化小型化微带天线的设计［J］.军事通信技术，2013，3(3):16 －19.

［2］黄玉兰.电离层中电波线极化面旋转的分析与计算［J］.西安邮电学院学报，2003，8(3):24 －26.

［3］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.

［4］Ramesg Garg.Microstrip antenna design handbook［M］.USA:Artechhouse，2001

［5］曹祥玉.微波技术与天线［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2008.

［6］刘凯.新型多频段微带圆极化天线的设计与应用研究［D］.南京:南京邮电大学，2013.

［7］林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.

［8］韩旭.小型化多频GNSS微带天线及其阵列特性研究［D］.南京:南京航空航天大学，2011.