导航终端多模宽带微带天线设计

张平川，孙红杏，王思捷，朱家义，曲培新，张利伟，许 睿，白林峰

（河南科技学院 信息工程学院，河南 新乡 453003）

0 引 言

目前全球卫星导航系统GNSS（Global Navigation Satellite System，GNSS）已被应用到军事及民用等领域，特别是随着世界主要大国技术的进步，相继开发投入运行了四款GNSS导航系统，主要包括美国的全球定位系统（Global Position System，GPS）、欧洲的伽利略导航卫星系统（Galileo）、俄罗斯的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GLONASS）和我国的北斗系列（BEIDOU-1，BEIDOU-2）[1-3]。根据文献可知，这四个导航系统工作的频率比较接近，可以划分为两个工作频段：1 163.72～1 278.75 MHz，1 561.098～1 605.375 MHz，极化方式为右手圆极化 RHCP（Right-Hand Circular Polarization，RHCP），相对频带宽度为33%[4-7]。由于各类导航系统采用的技术标准不同，卫星在空间的分布有限，各有优势，定位精度、可用性、可靠性也有差异，使得导航终端接收多个卫星导航系统的服务数据成为一种需要。作为导航终端关键部件的天线，应具有宽带、多频段、圆极化、体积小等特点，其工作带宽需要覆盖上述导航系统工作频率[8-11]。根据微带天线体积小、易共形、重量轻、制造工艺简单、电性能多样化，可通过不同设计的微带单元，最大辐射方向可从边射到端射范围内调整，且易于得到各种极化等优势，结合右旋圆极化天线RCP（Right-Hand Circular Polarization，RCP）的特点[12-13]，采用宽带微带单元，本文设计了多模宽带圆极化微带天线，其工作频率可覆盖四大导航系统，系统采用厚的、低介电常数基片的宽阻抗带宽贴片，并对每个贴片单元与适当补偿一起在馈源激励按顺序旋转来提高圆极化贴片阵列的阻抗带宽和圆极化纯度，更好地满足导航终端多模式任务需要。

1 微带多模宽带天线贴片设计

四大导航系统的工作频率范围为GPS的（1 575±2.046） MHz 和（1 227.6±2.06）MHz；Galileo 的 1 164 ～1 215 MHz，1 260～ 1 300 MHz和 1 559～ 1 592 MHz；BEIDOU-2 的（1 268.52±10.23）MHz，（1 207.14±10.23）MHz，（1 561.098±2.046）MHz，（2 491.75±8.25）MHz；GLONASS的1 603.69±10.732 5 MHz。对此归纳分析后，可将四大导航系统的工作频率划分到两个频段，即1 561.098～1 605.375 MHz和1 163.72～1 278.75 MHz，均采用右旋圆极化方案[4,7]。由于单馈点方案的圆极化带宽太窄，无法满足较大带宽的指标，而双馈电方案时，天线调试更加容易，圆极化带宽提高较大，但成本较高，不利于规模化使用。因此采用四馈电点的方案。同时通过引入空气层、降低介质基板的介电常数、修改天线的等效谐振电路、附加寄生贴片、采用电厚基片[8-9]等措施提高圆极化带宽。

由于微带天线是一种谐振式天线，其谐振特性和RLC并联谐振电路相似，品质因数Q数值较大，因此其阻抗带宽窄。

根据腔模理论，矩形微带天线一般工作在TM01/TM10基模，由此可激励一对正交的简并模TM01/TM10形成圆极化，90°相位相差可通过馈电网络实现，基模TM01状态下矩形微带天线的长度L≈λg/2，宽度在保证不产生高次模的条件下取值大些有利于提高频带效率及阻抗带宽。宽度W的最大值由式（1）确定[14-15]：

式中：c为光速；fr为天线中心频率；εr为相对介电常数。由于微带天线是一种磁流辐射现象，两条辐射缝间的电纳具有容性特征，相当于传输线产生了等效延长ΔL。ΔL可以根据准静法计算得到：

实际微带长度计算如下：

考虑微带天线介质的特点为下方是介质，上方是空气，且为不均匀填充，所以介电常数εr须用等效介电常数εe1代替，用保角变换法计算如下：

考虑到介质板下方空气层的影响，微带贴片等效复合介电常数为：

式中：εe=1为空气的介电常数；h=5 mm。

微带天线中的波长见式（6）：

对 于 两 个工作 频 段1 561.098～1 605.375 MHz，1 163.72～1 278.75 MHz，分别取中心频率1 605.375 MHz和1 221 MHz，联合公式（1）～（6）即可得出L，W初值。

2 馈电设计

馈电设计不仅影响天线的性能，也影响天线的成本，要综合考虑。虽然两馈电点圆极化方案在极化纯度和轴比带宽方面有较大提高，可满足多模的需要，但中间辐射层采用的是FR4玻璃纤维环氧树脂覆铜板，厚度为5 mm，这种板不常用，整体制作费用较高。为了扩大圆极化带宽并降低制作费用，在两馈电的基础上设计四馈电圆极化天线[9-10]。

天线四个馈电点在空间位置上结构对称，大大提高了轴比带宽，减小了尺寸，相位设计成逆时针方向依次相差90°。在贴片表面四周对称位置上各开1个矩形缝隙形成1个缝隙辐射器，由此获得新的谐振频率点，有效提高了天线阻抗带宽[11-13]。缝隙长度和宽度分别决定于频点带宽和频点位置。

矩形贴片四馈电点结构俯视图如图1所示。其中，d=25.59 mm，L1=65 mm，L2=55 mm，Ls=83.9 mm，Lground=99.99 mm，W1=6.01 mm，W2=8.99 mm。

图1 矩形贴片四馈电点结构俯视示意图

四馈电多模微带宽带天线结构侧视图如图2所示。其中，h1=12.01 mm，h2=9.99 mm，h=2.99 mm，基板为100 mm×100 mm，馈电点设置在基板背面。中间辐射层为65 mm×65 mm，中间层介质基片厚度为3 mm，介电常数为4.4，在辐射片的周围加工构成方形环状空气圈。

图2 四馈电多模微带宽带天线结构侧视图

90°移相器原理如图3所示。其他移相器可以参考相关文献 [2，5-9]。

图3 90°移相器原理图

宽带微带多模天线馈电网络如图4所示。隔离电阻可以吸收不平衡产生的反射能量，其大小为特征阻抗的2倍。

图4 宽带微带多模天线馈电网络图

3 仿真及结果

本文利用Ansoft公司设计生产的电磁仿真软件HFSS和Designer进行联合仿真，天线与馈电网络连接后天线回波损耗结果如图5 所示。该天线在1 561 MHz 和1 268 MHz两个工作频点的2个主平面轴比方向图分别如图6和图7所示，两个频点对应的主平面功率增益方向图分别如图8和图9所示。

图5 馈电多模微带宽带天线回波损耗S11仿真结果

由图5可知，该天线S11＜-10 dB的阻抗带宽为1 163～1 790 MHz，达到了45%的相对带宽。

图6 1 561 MHz轴比方向图

图7 1 268 MHz轴比方向图

由图5、图6可以看出，该天线具有良好的增益覆盖和圆极化轴比特性。

从图8、图9可以看出，所设计的天线满足了多模导航天线的增益要求。

4 结 语

为了满足接收适用于GLONASS，Galileo，GPS，北斗4种卫星定位导航系统信号的需求，本文设计了多模微带宽带天线，天线极化方式为右旋圆极化。为了便于参数优化，分别设计天线与馈电网络，综合采用多种措施保证阻抗带宽（在辐射贴片表面开矩形缝隙等）；馈电网络级联应用宽带移相器和3个Wilkinson功分器，向天线的4个馈电端口提供幅度相等、相位依次相差90°的激励信号，大大提高了天线的圆极化纯度，也获得了较大的频带阻抗带宽。仿真表明，该天线在工作频率范围内，增益大于6 dB，回波损耗S11＜-10 dB，顶点轴比＜3 dB，具有良好的电性能和辐射特性，达到了设计要求，可用于提高导航终端技术，提高导航服务质量，具有广阔的应用前景。

图8 1 561 MHz方向图

图9 1 268 MHz方向图