多频双圆极化北斗天线设计

2022-10-20周涛张豪边成李灏一

电子技术应用 2022年10期

周涛，张豪，边成，李灏一

(四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳 621050)

0 引言

北斗系统作为由我国自主研发的新一代卫星导航系统，在政治、军事、科技、文化等方面都具有重要意义[1-2]。天线作为射频前端，相当于整个系统的耳目，它的性能好坏将直接影响卫星导航系统的优劣。在卫导天线的设计中，微带天线因其成本低、结构简单、尺寸小等优势，成为终端导航设备天线的研究热点[3]。在北斗天线的工程应用中，多频段小型化是天线设计的重点和难点[4-5]，多频圆极化微带天线的实现方法通常有：采用堆叠结构实现多频圆极化、多元法实现多频圆极化、采用缝隙加载实现多频圆极化、通过加载臂结构实现多频圆极化等[6-8]。

本文采用堆叠结构实现多频圆极化，实现B3、B1、L、S 频段的圆极化辐射，其中B3、B1、S 为右旋圆极化，L 为左旋圆极化。对于多频段的圆极化天线，相关领域的研究多为天线的辐射体设计[9-12]，很少有研究小型化情况下的多端口馈线设计实际问题[12-13]。在实际使用中多频段存在同时工作的情况，因而多端口输出是工程研制中必须处理的问题。本文研制的多频双圆极化天线在60 mm×60 mm×21.6 mm 的尺寸下实现多端口独立输出，仿真和实测结果表明该天线性能良好，各项指标满足北斗系统对天线性能的要求。

1 天线结构设计

整个天线结构分为6层，实现了每个工作频段都有独立端口输出的天线设计，外形如图1 所示。L1为最底层，采用带状线为B3 频点设计印刷馈电网络，厚度为2 mm，介电常数为3.2；L2为B3 频点的辐射体层，厚度为4.7 mm，介电常数为6.15；L3为低介电常数填充层，厚度为5 mm；L4为印刷的定向耦合器馈电网络，厚度为0.8 mm，介电常数为3.2；L5为L 和B1 的共用辐射层，厚度为4.1 mm，介电常数为6.15；L6为S 频点的辐射体，厚度为5 mm，介电常数为16。整个天线单元尺寸为60 mm×60 mm×21.6 mm。

1.1 B3 天线设计

最下层天线辐射体外形如图2(a)所示，辐射B3 频点，其中W1=60 mm，W2=46 mm。双馈法的圆极化天线设计主要在于馈电网络的设计，本文采用Wilkinson 功分器级联90°移相器[14]，结构如图2(b)所示，双馈形成右旋圆极化辐射。

1.2 B1 及L 频段天线设计

中间辐射体外形如图3(a)所示，主要辐射B1 和L频段。为了保证增益以及考虑到极化方向的不同，中间层馈电网络采用3 dB 定向耦合器，结构外形如图3(b)所示，从两端口分别馈电，同时使用双层辐射体扩展带宽，可以分别实现B1 和L 频段的右旋和左旋圆极化[15-16]。

实际设计中，考虑到如果将馈电网络同样置于L1，此时馈电探针长度大于15 mm，将会引入电感，对驻波匹配产生影响，常用的处理方式为在馈电点增加一个容性环进行补偿。但是这样引入一个新的问题，从L1底部通过K2馈电时，馈电探针会穿过底层辐射体L5和L4，若给底层辐射体开口直接馈电，增益由于耦合，会损失严重。解决方法是将馈电网络置于L4，由于L3为低介电填充材料，对微带电路影响很小，同时从天线辐射体中部开口于K1处馈电，图3 中W3=45 mm，W4=32 mm。

1.3 S 频段天线设计

S 频段带宽很窄，而且处于顶层，受其他频段辐射贴片影响很小，因此采用单馈切角形式，如图4 所示，在辐射贴片表面产生TM01模式和TM10模式，从而产生产生两个相互正交的电场分量，形成圆极化[17]。将L5层辐射体作为地，通过50 Ω 同轴线对L6进行馈电，其中W5=35 mm，W6=10.8 mm。

2 结果与分析

2.1 仿真结果

采用HFSS 电磁仿真软件进行仿真，本天线设计有4 个谐振频率，且均有独立输出端口。通过仿真可以看出，驻波带宽均满足各频段要求，仿真结果如图5 所示；增益方向图仿真结果如图6 所示，B3 频点(1 268 MHz)法线增益大于6.4 dBi，B1(1 561 MHz)和L(1 575 MHz)频点法线增益约3 dBi，S 频段(2 491 MHz)增益大于4 dBi。本天线在实现小型化的同时，仿真结果仍然具有良好的性能，满足北斗卫星对天线的性能指标要求。

2.2 实测结果

使用SATIMO 测试系统对天线进行测试，天线测试场景如图7 所示。增益测试结果如图8 所示，可以看出B3 频点法相增益大于6 dBi，仰角60°大于0 dBi；B1 频点法向增益大于2.5 dBi，仰角30°大于0 dBi；L 频点法向增益大于3 dBi，仰角60°大于0 dB；S 频点法向增益大于3 dBi，仰角30°大于0 dBi。轴比仿真结果如图9 所示，所有频点法向轴比小于2 dB，轴比小于6 dB 的波束宽度超过140°，天线性能良好，基本符合仿真结果。