基于超材料的双频双圆极化北斗导航天线设计

袁 昊,栾秀珍,王晓庆

(大连海事大学 信息科学与技术学院,辽宁 大连 116026)

北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System,BDS)是我国自主研发的卫星导航系统。随着2020 年6 月23 日北斗3 号最后一颗卫星的发射成功,北斗导航系统完美收官,对其应用的研究将成为未来发展的主要任务。BDS 不仅能提供定位服务,而且还支持短报文通信服务。短报文通信是北斗导航系统区别于其他导航系统的重要功能之一,其要求终端天线在频率为1.615 GHz 的上行链路极化方式为左旋圆极化;在频率为2.492 GHz 的下行链路极化方式为右旋圆极化[1]。为了实现天线的小型化,通常要求终端天线能同时工作在1.615 GHz 频段和2.492 GHz 频段,且分别辐射左旋圆极化波(LHCP)和接收右旋圆极化波(RHCP),即具有双频双圆极化的特性,这些要求给天线的设计带来很大的挑战。

目前,关于双频双圆极化天线的研究主要集中在对四臂螺旋天线和多模、多共振及堆叠式结构微带天线的研究上[2-7]。文献[2]给出了四臂螺旋结构的双频双圆极化北斗导航天线的设计,该天线剖面高,馈电网络复杂。文献[3-4]采用多共振模式设计了单层双频双圆极化天线。然而,这些天线一般具有阻抗带宽和轴比带宽较窄的缺陷。为了解决窄带问题,文献[5-7]分别采用堆叠式微带天线结构设计双频双圆极化北斗导航天线,但由于采用的是堆叠式结构,所以天线剖面高,馈电方式复杂。

近年来,关于超材料及其应用的研究发展迅速。超材料是一类新型人工材料,复合左/右手传输线(CRLH-TL)是一种具有代表性的超材料传输线,其在某些频率处的等效介电常数和等效磁导率同时为负值,电场、磁场和波矢量遵从左手定则;而在其他频率处,等效介电常数和等效磁导率同时为正值,电场、磁场和波矢量遵从右手定则。利用CRLH-TL 的这一特性可以设计双频双圆极化天线[8]。文献[9]提出了一种基于超材料传输线的双频双圆极化天线。该天线为双馈双臂方形螺旋线结构,结构复杂,尺寸较大。文献[10]基于I 形超材料单元所构成的传输线设计了一个单臂方形螺旋天线,该天线在2.6 GHz 和3.6 GHz 频率处的极化方式分别为左旋和右旋圆极化,但在2.6 GHz 处增益只有0.92 dBi。文献[11]基于超材料结构设计了双频双圆极化单臂圆形螺旋天线,但该天线结构复杂,实现困难。

综上所述,目前利用超材料的左/右手传输特性设计的北斗导航双频双圆极化天线鲜有报道,本文基于超材料结构设计了一款新型双频双圆极化北斗导航天线。该天线是基于I 形和Γ 形超材料单元构成的混合型超材料传输线所设计的单馈单臂方形螺旋天线。该天线在北斗导航系统的1.615 GHz 频段极化方式为左旋圆极化,在2.492 GHz 频段的极化方式为右旋圆极化,且在两个工作频段内增益均大于3.4 dBi,各项指标均满足北斗导航系统短报文通信的要求,因此具有广泛的应用前景。

1 超材料单元结构及设计

超材料复合左/右手传输线单元的原理图如图1 所示。其中,串联电感LR和并联电容CR构成普通的右手关系传输线单元;串联电容CL和并联电感LL构成具有左手关系的传输线单元,二者共同构成复合左/右手传输线单元。

图1 复合左/右手传输线单元的原理图Fig.1 Schematic diagram of the composite left-handed and right-handed transmission line unit cell

CRLH-TL 单元的传播常数可表示为:

式中:Z1=j [ωLR-1/(ωCL)];Y1=j [ωCR-1/(ωLL)]。

图1 中串联支路和并联支路的谐振频率分别为:

当ωseries=ωshunt=ω0时,称为平衡态。在平衡状态时,CRLH-TL 单元中波传播的相移常数为[12]:

当ω=ω0时,β=0,ω0称为CRLH-TL 的过渡转折频率;当ω<ω0时,β<0,该频段为CRLH-TL 的左手传输特性频段;当ω>ω0时,β>0,该频段为CRLHTL 的右手传输特性频段。

图1 所示是一种非对称型复合左/右手传输线单元,其非对称性会导致二端口网络在某种程度上的不匹配,不便于在微波电路中实现[13]。图2(a)所示是一种对称型复合左/右手传输线单元,便于微波实现,且用对称型单元构成的周期性结构传输线与用非对称型单元构成的周期性结构传输线具有相同的左/右手传输特性[13],因此,本文基于图2(a)结构设计了两种半集中参数电路单元,如图2(b)和图2(c)所示。在图2(b)中,集中参数的电容2C0和电感L0用于实现图2(a)中的串联电容和并联电感;长度分别为Lseg/2,Lseg和Lseg/2 的微带传输线段用于实现串联电感和并联电容[13-14]。串联电感由沿微带线流动的高频电流产生的磁通量引起;而并联电容则由在微带导体带条与其下方的接地板间存在的电场导致[13]。该电路单元称为“I 形单元”。在图2(c)中,并联电感由一段长度为Lstub的终端短路并联微带线段构成[14],其他部分与“I形单元”相同,称为“Γ 形单元”。

图2 对称型复合左/右手传输线单元的原理图和结构图Fig.2 Schematic and structural diagram of symmetric composite left/right-handed transmission line unit cell

本文选择相对介电常数εr=2.55,基板厚度B=3 mm 的F4B 板材进行设计。根据北斗导航系统对双频(fL=1.615 GHz,fH=2.492 GHz)双圆极化天线的要求,确定I 形单元和Γ 形单元结构中的参数分别为:2C0=2.4 pF,L0=3.8 nH,Lseg=6 mm,w=8.35 mm,g=1 mm,Lstub=6.8 mm,Wstub=1.25 mm,Rstub=0.5 mm,p=14 mm,此时I 形和Γ 形单元结构相对于空气中传播常数k0的相移常数曲线分别如图3(a)和(b)所示。由图可以看出,两种单元结构的过渡频率点均为f0=1.9 GHz。在过渡频率点以上可以获得正的相移常数,在过渡频率点以下可以获得负的相移常数,且,该特性为在同一幅螺旋天线上fL和fH频段实现左旋和右旋圆极化奠定了理论基础。

2 双频双圆极化天线设计与加工

2.1 天线结构与设计

本文采用I 形单元和Γ 形单元构成的混合型超材料传输线结构设计应用于北斗导航系统的双频双圆极化天线,天线结构如图4 所示。该天线为单馈单臂方形平面螺旋天线,信号从馈电点A 输入后,先在由16个I 形单元构成的超材料传输线中进行传输,然后在由17 个Γ 形单元构成的超材料传输线中进行传输,波在传输过程中不断辐射能量,从而构成螺旋天线。从A 点开始,各段螺旋臂的长度分别为:L1=L2=p,L3=L4=2p,L5=L6=3p,L7=L8=4p,L9=L10=5p,L11=3p。其中,p为超材料单元的长度。天线末端B 处接入Bloch 阻抗,ZB=50 Ω。

从图3 中可以看出,当f<1.9 GHz 时,相移常数为负值,而由图4 可知该螺旋天线为右旋绕制,所以,当单臂螺旋天线外环路周长大约为fL对应的一个导波波长时,可以在fL频率附近产生左旋圆极化波;而当f>1.9 GHz时,相移常数为正值,故当天线环路周长大约为fH对应的一个导波波长时,则在fH频率附近产生右旋圆极化波。

图3 两种超材料单元结构的相移常数曲线Fig.3 Phase constant curves of the two metamaterial unit cell structures

图4 双频双圆极化单臂螺旋天线结构图Fig.4 Structure of dual-band dual-circularly polarized single-arm spiral antenna

2.2 天线加工与测量

基于以上设计结果,对天线进行了实际加工。图5 所示为天线实物图。

图5 天线实物图Fig.5 Photographs of the fabricated antenna

图6 为测量的S11参数曲线。由图6 可知,在L 频段,S11<-10 dB 的频带范围为1.55～1.68 GHz,带宽约为8%;在S 频段,S11<-10 dB 的频带范围为2.4～2.7 GHz,带宽约为12%,说明该天线具有良好的匹配性能,且工作带宽较宽。

图6 测量的S11参数曲线Fig.6 The measured S11 parameter curves

图7 给出了天线在两个中心工作频率处的方向性图。由图可见,在L 波段的中心频率f=1.615 GHz处,天线的主极化方式为左旋圆极化,在θ=0°方向的增益约为3.6 dBi,交叉极化鉴别率大于21 dB,半功率波瓣宽度2θ0.5,L>100°;在S 波段的中心频率f=2.492 GHz 处,天线的主极化方式为右旋圆极化,在θ=0°方向的增益约为4.85 dBi,交叉极化鉴别率大于21 dB,半功率波瓣宽度2θ0.5,R>70°。

图7 天线在两个中心工作频率处的方向性图Fig.7 Antenna radiation patterns at two central operating frequencies

图8 所示为天线的轴比随频率变化的曲线。由图可知,在L 频段,AR<3 dB 的频带范围为1.56～1.66 GHz,带宽约为6%;在S 频段,AR<3 dB 的频带范围为2.46～2.6 GHz,带宽约为5.5%。

图8 轴比随频率变化曲线Fig.8 Axial ratio versus frequency curve

图9 所示为天线的增益随频率变化的曲线。由图可知,在L 频段的工作频带(1.615 GHz±4.08 MHz)内,天线增益大于3.4 dBi;在S 频段的工作频带(2.492 GHz±4.08 MHz)内,天线增益大于4.8 dBi。由此可见,天线在两个工作频带均具有较高的增益。

图9 增益随频率变化曲线Fig.9 Gain versus frequency curve

3 结论

本文基于超材料结构提出并研制了一款应用于北斗导航系统的新型短报文收发一体天线。该天线利用超材料传输线的左/右手传输特性实现了在北斗L 频段辐射左旋圆极化波、在S 频段接收右旋圆极化波的特性,且在两个频段均具有较高的增益,S11<-10 dB的带宽均大于8%,3 dB 轴比带宽均大于5.5%。由此可见,利用超材料传输线左/右手传输特性设计的双频双圆极化天线可以很好地满足北斗导航系统短报文通信的要求,且天线为单层结构,单点馈电,具有剖面低、易馈电等优点,因此具有广泛的应用前景。