新型单馈共口径三频三极化微带天线的设计*

李校林 ，魏凡童，张大杨

(1．重庆邮电大学通信新技术应用研究中心，重庆400065;2．重庆信科设计有限公司，重庆400065)

LI Xiaolin1，2* ，WEI Fantong1，ZHANGDayang1

(1．Chongqing University of Posts and Telecommunications，Research Centre for Application of New Communication

Technologies，Chongqing 400065，China;2．Chongqing Information Technology Designing Co．，Ltd，Chongqing Information Technology Designing Co．，LTD，Chongqing400065，China)

圆极化微带天线具有极化旋向正交性而具备很强的抗多径干扰能力，因此在工程中得到广泛应用。近年来，在极化隔离、抗多径特性要求较高的卫星导航领域，系统对微带天线提出了多频段多种极化工作的要求，特别是双圆极化性能。双频双圆极化天线在不同频段辐射正交的圆极化波，实现了天线的收发共用从而提高了通信容量。

目前，实现多频圆极化的方法主要有以下3种:一是单层介质多贴片结构［1－3］，通过各贴片的尺寸来确定频率点，两贴片分别工作于主模和高次模，这种结构较为简单、剖面低且便于工程实现;二是采用双层或多层贴片的层叠结构［4－7］，各层贴片分别辐射不同频段的电磁波，这种天线由于多层结构导致剖面增加且加工较为复杂。

在研究比较了这些结构之后，提出一种新型的可以覆盖北斗导航系统收发3个工作频段的天线，采用线极化和圆极化多种极化方式组合的形式。其结构为在单个圆形贴片上开环形槽，两个圆形贴片相互嵌套，内外两部分贴片分别谐振高低端频率，从而实现双频的性能，在两部分贴片上分别开成对的微绕凸口，两对凸口呈正交位置，从而使两个频段分别辐射不同旋向的圆极化波;而另一线极化波工作频段则通过开孔耦合馈电的形式实现。利用单馈形式实现圆极化，由于不需功分器等馈电网络而结构简洁、紧凑，其设计难度远远超过多点馈电圆极化微带天线。

依据此设计方法，进行仿真分析与优化后，提出了天线最终结构，给出最佳尺寸，并对天线进行了加工和实测。

1 天线模型及参数设计

1．1 天线结构

根据北斗导航卫星终端收发共用天线的要求，发射天线上行极化方式为左旋圆极化，中心频率为1 616 MHz，接收天线下行为右旋圆极化，中心频率为2 491 MHz。

设计的天线结构如图1所示，由两层印刷铜箔的介质板、空气层和接地板构成。上下层介质板均采用相对介电常数为2．65的聚四氟乙烯材料F4B265，介质板半径均为55 mm。其中上层贴片实现双频双圆极化性能，通过圆形贴片左右对称位置上突出小矩形产生微扰，通过内外层的微扰量，调节两谐振点处的圆极化性能。通过对矩形深度L1L2，宽度W1W2W3的优化设计和馈电位置的调节，分离出两个空间正交、幅度相等、相位差90°的简并模，实现两个频段左右旋圆极化信号。下层贴片实现另一线极化工作频段，采用在圆形辐射贴片上挖孔，通过与馈电探针的耦合实现，通过调节挖孔的位置和半径R5，即可实现良好的阻抗匹配。馈电方式采用单个探针底馈结合容性托盘耦合馈电，一层很薄的空气层的引入，降低了介质层的有效介电常数，降低了微带天线的Q值，以达到增加带宽的目的。由于空气层的引入，馈电探针较长，较大的感抗使得阻抗特性恶化，于是，通过加入容性圆铁片，可有效地抵消探针的电感，在实现多频性能的同时，还有效地拓宽了微带天线的带宽。这款天线着重实现北斗三频天线，同时达到良好的辐射特性及圆极化性能。但未详细研究天线小型化，在后期工作中还需做进一步研究。

图1 天线结构图

1．2 参数设置

通过由微带线空腔模型理论，可初步计算得到天线的贴片尺寸。由腔模理论可知，工作在TMmn模时圆形微带天线的谐振频率与贴片尺寸之间的关系为

式中，a为贴片的物理半径，c为自由空间光速，εe是介质板的介电常数，令Jm(χmn)'=0，χ'mn为m阶贝塞尔函数Jm导数的第n个零点，由于该天线谐振在基模 TM11，这里取 χ'11=1．841，fmn为贴片谐振频率，介质基片上贴片的低频和高频谐振频率分别由R1和 R2确定，R1、R2可通过式(1)初步确定［8－9］。

建立天线模型，经过反复优化调整，通过调节各个参量，确定天线最终的尺寸为:

h=1．5 mm，hair=6 mm，t=11．7 mm，R1=38．2 mm，R2=30．8 mm，R3=31．8 mm，R4=5．1 mm，R5=17．9 mm，R6=36．25 mm，L1=3．4 mm，L2=4．17 mm，W1=7．2 mm，W2=10 mm，W3=6．2 mm。

2 仿真与实测结果

通过调节各个参量，经过仿真优化，得到了比较满意的仿真结果，根据仿真优化参数，加工出微带天线的实物，天线上下板子分别打4孔，用塑料支撑柱和塑料螺丝加以固定，如图2所示。为了验证仿真结果的准确性，采用Agilent E8803A矢量网络分析仪进行了电测量，由于实验条件的限制，未能对天线的方向图、轴比等电参数进行实际测量，仅测量了天线的S参数，并将实测和仿真结果进行了对比。

图2 天线样件

图3、图4分别给出了天线三频点处的回波损耗以及轴比曲线。

图3 天线在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz三频点附近频带的回波损耗曲线

图4 天线在1 616 MHz、2 491 MHz两频点附近频带的仿真轴比曲线

图3可以得出，天线在1 268 MHz频段VSWR≤2的阻抗带宽为8 MHz(约为0．63%)，该频段阻抗带宽稍窄，但对于北斗窄带系统而言依然适用;在1 616 MHz，频段VSWR≤2的阻抗带宽为97 MHz(约为5．9%);在2491 MHz频段阻抗带宽为120 MHz(约为5．4%)，对于微带圆极化天线单点馈电形式而言，阻抗带宽均达到了设计要求。实物加工时，由于焊接操作误差，基片介电常数的不均匀以及测试环境的影响，导致谐振频率点略微有所偏移，但均在可控范围，实测结果基本与仿真吻合，天线匹配良好。

图4可以得出1 616 MHz及2 491 MHz频段良好的圆极化性能，1 616 MHz及2 491 MHz频点最大辐射方向轴比分别为1．5 dB、0．8 dB，其3 dB轴比带宽分别为26 MHz(约为1．6%)和28 MHz(约为1．2%)，完全满足北斗导航左右旋圆极化的频带收发应用。

图5给出了3个频段的增益曲线，在1 268 MHz、1 616 MHz、2 491 MHz 三频点处，增益分别为5．4 dB、8 dB、8 dB，(1 268 ±5)MHz带宽内天线的增益约在5 dBi以上，(1 616±70)MHz和(2 491±60)MHz带宽内天线的增益约在6 dBi以上。

图5 天线在三频带上的增益曲线

图6 天线在三频点的仿真方向图

图6分别给出了天线在3个频点处的归一化辐射方向图，其中0度方向为天线辐射面法线方向。1 616 MHz频点，在θ=0°方向上，LHCP电平大于其交叉极化电平21 dB，在 －27°≤θ≤48°，LHCP 电平大于RHCP电平15 dB以上。2 491 MHz频点，在θ=0°方向上，RHCP电平大于其交叉极化电平21 dB，在 －51°≤θ≤90°，RHCP 电平大于 LHCP 电平15 dB以上。可见，该天线具有很强的抑制交叉极化和抗多径干扰的能力。

3 结论

提出了一种单点同轴馈电的共口径三频三极化微带天线，可覆盖北斗系统的3个工作频段。天线共两层结构，可分别实现两个不同旋向的圆极化频段与线极化频段。天线在1 268 MHz工作频段阻抗带宽为8 MHz(0．63%);在1 616 MHz工作频段为阻抗带宽为 97 MHz(5．9%)，3 dB 轴比带宽为 26 MHz(1．6%);在2 491 MHz工作频段，阻抗带宽为120 MHz(5．4%)，3 dB 轴比带宽为28 MHz(1．12%)。阻抗电测结果验证了天线实用可行。而天线在1 268 MHz为线极化，在1 616 MHz实现左旋圆极化，在2 491 MHz实现右旋圆极化，因此适用于北斗导航终端收发共用，简化了系统。且该天线只包含两层1．5 mm厚度的介质基板和一层很薄的空气层，具有低造价、低剖面等优点，使应用更加灵活，应用前景广泛。

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