北斗S波段分形微带阵列天线的设计

陈夏寅，彭菊红，王旭光，邱桂霞，杨维明

(湖北大学 计算机与信息工程学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的全球卫星定位与通信系统，已进入逐步应用阶段。随着各导航终端的日益发展，对终端天线的性能也提出了更高的要求，因而对北斗圆极化天线高性能的研究成为热点。阵列天线可提高增益[1]，得到很好的方向性，在实际设计中也被广泛使用[2]，但传统的微带阵列天线仍存在增益不高等缺点[3]。而分形天线具有宽频带、多频工作等优点，在微带天线的设计中得到广泛应用[4]；文献[5]设计的介质埋藏微带八木天线结构，天线增益较高，但尺寸较大；文献[6]设计的基于分形技术的超宽带天线，结构较紧凑，带宽较宽，但增益不高；频率为2.49 GHz，最大辐射方向增益不低于5 dB；回波损耗低于-20 dB。文献[7]设计了六边形环和缺陷地结构的宽频带多频微带天线，天线尺寸较小，增益较高，但结构较复杂，圆极化性能不高。

本文设计的微带阵列天线，采用四元馈电法。引入Sierpinski地毯分形技术能够让每个微带贴片单元在保证别的参数达标的状态下略微减小尺寸，同时每个微带贴片单元在外观上具有一定的视觉效应，起到了装饰的效果[8]。结合类似Koch锯齿分形技术对谐波抑制进行优化，通过HFSS仿真软件对该天线性能进行仿真及优化，仿真结果表明该天线阵列具有较好的方向性和增益性能。

1 天线结构设计及优化

阵列天线具有较高的增益，在导航系统中有广泛的应用[9]，本文以四单元阵列天线结构的设计为例，并引入Sierpinski地毯分形实现宽频带特性且略微减少每个贴片单元的尺寸[10]，再结合类似Koch锯齿分形技术实现了对高次谐波和杂波干扰的抑制，最后可以得到一个具有宽频带、高增益、方向性极好的阵列天线。

为适合北斗导航系统的工作范围，微带天线的设计指标为：工作频带为S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系统要求微带天线的极化方式是右旋圆极化[11]，为此本文采用四元馈电网络。为保证输出圆极化波，则需要设计4个幅度相等，相位依次为0°、90°、180°和270°的激励信号，各段之间可通过阻抗匹配原理[12]进行匹配。

1.1 微带贴片单元设计

微带天线贴片单元结构与仿真如图1所示。

图1 微带天线贴片单元结构与仿真

微带天线的贴片结构如图1(a)所示，根据理论分析，微带贴片单元的长L=37.26 mm ，线宽W=36.21 mm；1/4阻抗转换器的微带线长L1=15.6 mm，线宽W1=1.16 mm；50 Ω微带线长L2=16.37 mm，线宽W2=3.06 mm；介质板材选用FR4，εre=4.4 ，h=1.6 mm，天线使用微带线馈电,通过HFSS得到的天线的性能仿真曲线如图1(b)和图1(c)所示，从图中可以看出，回波损耗S11低于 -24 dB，增益达到3.87 dB。

1.2 微带贴片单元的优化

Sierpinski分形结构有2个显著特点：① 工作在多频段；② 减少微带贴片的尺寸。其常见形式有三角分形和毛毯分形，本文对微带贴片的优化采用的是毛毯分形的形式，采用三阶Sierpinski毛毯分形，将矩形分成9个面积相等的小矩形，然后挖去正中间的一个小矩形，剩余8个单元则构成一阶生成元，按这种方式进行迭代3次处理，可获得三阶Sierpinski毛毯分形，结构如图2(a)所示。通过三阶Sierpinski毛毯分形[13]，贴片的长度和宽度均有明显减少，其中贴片宽度W由36.21 mm缩减至30.15 m，HFSS的仿真结果如图2(b)所示，回波损耗S11低于-35 dB，性能有所改善。但是分形结构因为部分构造与整个模型以及部分和部分之间因结构的相似,极易产生多个频点，且谐振点的个数等于分形结构的层次[8]，由此而会产生多个高次谐波的干扰[14]。

图2 Sierpinski毛毯分形结构与仿真

为抑制因毛毯分形而产生的高次谐波干扰，将矩形微带天线的两侧采用类似于koch分形的方法，进行锯齿分形处理，随着分形阶数及所加方形锯齿数的增加，微带贴片单元将表现出各种不同的特性[15]。利用HFSS对不同分形阶数(n=1～20) 的微带天线进行仿真分析，发现当n=1或2，微带贴片单元具有倍频作用，当n>10时天线除在基频2.49 GHz处有很好谐振外，高于2.49 GHz的高次谐波分量都得到很好的抑制。通过比较发现当n=16时，天线抑制高次谐波能力最佳，分形微带天线的单元结构与仿真结果如图3(b)所示，可见高次谐波得到了较好的抑制。

图3 类Koch分形结构与仿真

1.3 阵列天线设计

经过优化，得到了一个具有宽频带特性且对高次谐波和杂波有很好抑制作用的微带贴片单元，但其增益降低至1.08 dB，不满足性能指标，故为提高增益，采用四单元阵列天线结构。

工作频带为S波(2 483.5～2 500 MHz)，中心由于北斗系统要求微带天线的极化方式是右旋圆极化，为此本文采用四元馈电网络。为保证输出圆极化波，则需要设计4个幅度相等，相位依次为0°、90°、180°和270°的激励信号，各段之间可通过阻抗匹配原理进行匹配。四元阵列天线结构如图4所示，所组合四单元阵列天线尺寸为125.94 mm*137.02 mm。

图4 阵列天线的结构

考虑实际应用中，传输线会有转弯部分，在引起反射的同时，相位可能会受影响。因此，在具体设计时对转角处进行切角处理，并对切角的深度进行参数扫描及优化，得到恰当的尺寸[16]。优化参数后得到分形四元阵列天线的结构如图5所示，尺寸为125.94 mm*121.16 mm，尺寸比传统四元阵列有所减小，实现了宽频带特性，并可抑制谐波及杂散波。

图5 分形四元微带阵列天线结构图

2 阵列天线的性能仿真及分析

通过HFSS15软件，对上述设计的分形四元微带阵列天线的性能进行仿真。工作频段在S波段，中心频率在2.49 GHz，介质板材选用FR4，εre=4.4，h= 1.6mm，仿真得到微带天线阵列的仿真曲线如图6～图9所示。

图6 微带阵列天线S11仿真

图7 微带阵列天线增益的仿真

图8 微带阵列天线轴比的仿真图

图9 E面和H面法向的轴比曲线

从上述仿真结果可看到，在2.49 GHz处天线的回波损耗S11达到-23.8 dB；阵列天线的增益可达到9.6 dB；在E面(φ=0°)和H面(φ=90°)其3 dB波瓣宽度均为25°，表明天线的方向性较好；带内轴比约为0.85 dB，法向轴比约为2.4 dB，在-117°～117°范围内轴比均小于6 dB，实现了圆极化，各项指标达到设计要求。

3 结束语

本文利用三阶Sierpinski毛毯分形结构，实现了宽频带特性；为抑制微带天线产生的谐波和杂波干扰，在微带贴片天线两侧添加类koch的锯齿分形结构进行了优化。利用HFSS15软件对所设计的分形阵列天线结构进行仿真及参数优化。结果表明，回波损耗低于-22 dB，增益可达到9.6 dB，具有较好的方向性和圆极化性能，满足北斗系统天线指标的要求。此类天线用途广泛，比如一种使用高增益阵列天线的定位系统[17]，同时还适用于飞机、无人机、导弹等装备的定位，导航以及测速等应用[18]。