一种新型加载超材料的卫星导航天线设计

王丽黎，马 杰，董 培

(1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048；2.华南理工大学 物理与光电学院，广东 广州 510641)

一种新型加载超材料的卫星导航天线设计

王丽黎1，马 杰2，董 培1

(1.西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048；2.华南理工大学 物理与光电学院，广东 广州 510641)

设计了一款工作在1.575 GHz的单频天线和一款在1.2 GHz～1.4 GHz表现磁负特性的超材料结构单元。对单频天线接地板加载两个超材料结构单元，可以使天线工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中，较高的谐振频率是由天线自身产生，较低谐振频率是由超材料结构单元的加入激发产生。该天线具有结构紧凑、频带宽、体积小、易于加工等特点。单频天线加工了实物，仿真结果与实测结果基本一致。

双频段；超材料；卫星导航

0 引言

卫星导航系统是指为地面、海洋、空间及太空的各种载体提供位置、速度等信息服务的专业系统，可实现对目标的定位、导航和管理，已经在军事和民用等不同领域发挥出重要的作用，成为不可或缺的无线电应用技术。目前，全球卫星导航系统(GNSS)包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及中国的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已经覆盖全球。北斗一代可以同时提供导航和通信服务，并且在中国已经成功应用；2012年，北斗二代向亚太大部分地区正式提供服务。随着多模卫星组合导航技术的发展，可以接收多个频率信号的卫星接收天线得到了广泛的关注。导航卫星信号要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性[1]。为了满足各种需求，宽带、多频段、小型化等不同性能的天线成为了主流趋势。

微带天线具有剖面低、重量轻、成本低和容易集成等特点。随着科技的发展，多频段天线已经成为了研究的热点。然而大多数天线只能覆盖单个频段[2-5]。参考文献[3]中提出的天线可以覆盖GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3频段。但是，该天线尺寸大、厚度厚，而且有较复杂的馈电网。同时，文献中给出的天线设计多考虑天线自身的电性能实现，对结构方面的设计及不同载体的要求却很少顾及，如天线的载体限制尺寸等。

超材料(Metamaterials)是一类具有自然界中材料所不具备的超长物理性质的等效均匀人工复合结构(复合材料)[6]。超材料是由人工构造的微结构组成的，以等效介电常数、等效磁导率描述其整体电磁特性。为了方便介绍，本文把磁导率设为横坐标，介电常数设为纵坐标，理论上存在的媒质空间按磁导率和介电常数的正负关系划分在4个象限中[7]，如图1所示。

1 天线设计

1.1 单频天线的设计

本文设计的单频天线工作在1.575 GHz(GPS L1)频段，结构模型如图2所示。辐射贴片的切角是为实现圆极化辐射，调整贴片尺寸可以改变天线的工作频率。天线介质板的介电常数为2.65、厚度为3 mm，接地板尺寸为76 mm×76 mm，贴片大小为56 mm×56 mm，贴片对角处切掉两个等腰三角形，这两个等腰三角形的腰的尺寸为6 mm×6 mm，采用50 Ω的同轴线馈电，馈电点距中心距离为11 mm。

分析可得，天线仿真的反射系数为-15.03 dB，带宽为58.3 MHz，实物的反射系数为-23.5 dB，带宽为26.3 MHz。如图3所示，通过方向图可看出天线为右旋圆极化辐射。

1.2 超材料结构单元的参数提取

如图4所示，将超材料结构单元放入长方体仿真区域的中间，前后表面距离端口距离相等，仿真区域其余部分为真空，长方体上下表面设为电壁边界条件，左右表面设为磁壁边界条件。这种边界条件模拟了TEM波穿过材料样品的情形[8]。平面波由端口1、2激励产生，通过仿真可得端口1和2处S11和S21参数的实部和虚部，将数据导入到MATLAB中，可得超材料结构单元的相对介电常数和相对磁导率。其中，图5(a)中超材料结构单元具体尺寸为：a=15.24 mm；b=0.762 mm。

对图5分析可得，在1.2 GHz～1.4 GHz中，相对介电常数为正，相对磁导率为负。因此，可以判定此结构单元为磁负材料。

1.3 加载超材料的双频天线

对单频天线的接地板上加载两个设计的超材料结构单元，天线结构如图6所示。结构单元距横轴的距离为1 mm，距纵轴的距离为1.27 mm。天线采用单馈的馈电方式，产生一个频率。然后利用超材料结构单元之间的相互作用产生另外一个频率。

2 天线的仿真分析

由图7可得，天线工作在1.268 GHz和1.575 GHz两个频段。两个频点处的S11分别为-16.8 dB和-19.4 dB。从方向图可以得出，它们均为右旋圆极化辐射；在-90°≤θ≤90°，轴比均小于3 dB；在仰角为5°时，天线的增益分别为-3 dB和-3.05 dB(满足标准仰角5°时G≥-5 dB)。以上结果均满足卫星导航系统的基本要求。

3 结论

本文设计了一款工作在1.575 GHz的单频天线，并且加工了实物，仿真结果与实物测试结果基本一致。本文还设计了一款在1.2 GHz～1.4 GHz表现磁负特性的超材料结构单元。在单频天线的接地板上加载两个设计的超材料结构单元，可以使天线工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中高频段还是由天线自身产生的，低频段是由于超材料结构单元的作用激发产生的。

[1] Liu Jiyu. GPS satellite navigation principles and methods (Second Edition)[M]. USA: Science Press, 2008.

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

[3] Li Jianxing, Shi Hongyu, Li Hang, et al. Quad-band probe-fed stacked annular patch antenna for GNSS applications [J]. Antennas and Wireless Propagation Letters, IEEE, 2014,13(9): 372-375.

[4] DOUST E G, CLENET M, HEMMATI V, et al. An aperturecoupled circularly polarized stacked microstrip antenna for GPS frequency bands L1, L2, and L5[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, AP-S 2008, IEEE, 2008: 1-4.

[5] LEE Y J, GANGULY S, MITTRA R. Multi-band L5-capable GPS antenna with reduced backlobes [C]. Antennas and Propagation Societh International Symposim, 2005 IEEE, 2005, 1A:438-441.

[6] 杨天阳．太赫兹频谱可重构MEMS超材料研究[D]．北京：北京交通大学，2014.

[7] ZHU J， ELEFTHERIADES G V. Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications [J]. Electronics Letters, 2009, 45：1104-1106.

[8] 陈曦．超材料的电磁特性与应用研究[D]．长沙：国防科技大学，2013．

[9] YE J，CAO Q. Design and analysis of a miniature metamaterial microstrip patch antenna [C]. Technology (iWAT), International Workshop on, 2011：290-293.

[10] JOHN K K A， ABRAHAM J， MATHEW T. Dual band dipole antenna for RFID/WSN applications [C]. Electronics and Communication Systems(ICECS), International Conference on, 2014：1-3.

A new antenna design for the navigation system loaded with metamaterial structure

Wang Lili1，Ma Jie2，Dong Pei1

(1. Department of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China; 2. School of Physics and Optoelectronics, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China)

In this paper, a single-frequency antenna working at 1.575 GHz and a metamaterial structure working at 1.2 GHz～1.4 GHz are designed. Loading two metamaterial structures to the ground plane of single-frequency antenna, the new antenna can work at 1.26 GHz and 1.575 GHz. The higher frequency is caused by the antenna itself, the lower frequency is caused by the metamaterials. The antenna has the characteristics of the compact, frequency, small size, easy processing and so on. The single-frequency antenna has processed the material object, and the simulation result agrees basically well with measured result.

dual-band; metamaterials; navigation system

N945.12

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.05.008

王丽黎，马杰，董培.一种新型加载超材料的卫星导航天线设计[J].微型机与应用，2017,36(5)：24-26.

2016-11-07)

王丽黎(1968-)，女，副教授，硕士生导师，主要研究方向：电磁场与微波技术。

马杰(1995-)，男，本科生，主要研究方向：光电信息技术。

董培(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向：天线设计。