小型雙頻圓極化微帶天線

1 引 言

由于微帶天線的尺寸小、成本低、易加工的諸多特點，微帶天線在衛星通信及衛星導航領域得到廣泛使用。近年，隨著多模衛星組合導航技術的發展，可同時接收多個頻段信號的衛星接收天線的設計得到了廣泛重視。微帶天線多數加工在高介電常數的介質上，這種天線在低仰角性能好，并且帶寬較寬，同時具有良好的廣角圓極化特性。微帶天線的雙頻化方法很多，根據不同形狀的微帶天線，實現雙頻的方式也不同。若用單饋點方式實現雙頻化，一般有兩種方式：一種是使用一塊貼片，如通過加載或者開槽的方法改變貼片各種自然模的場分布，進而使諧振頻率受到干擾，最終實現雙頻或者多頻工作，另一種是使用雙層貼片。但是通常的報道中，雙層貼片天線要么加工在不同的介質上，要么加工在同一種介質上時，引入了空氣層，使得加工不便，并且增大了尺寸。 本文設計了一種可同時工作在GPS的L1(1.575 GHz)頻段和RNSS B3(1.268 GHz)頻段的雙頻圓極化微帶天線，天線通過單個探針饋電，雙層正方形切角的微帶貼片天線印制在相同介電常數的介質上，與一般的雙層圓極化微帶貼片天線相比，由于沒有在兩層貼片之間引入空氣層，兩層之間的介電常數也相同，從而天線的尺寸變小了，天線結構緊湊，更加便于生產加工。

2天線模型

2.1單饋點圓極化雙頻微帶天線

單饋點無需任何移相網絡和功率分配器就可以實現圓極化輻射。他基于空腔模型理論，利用兩個輻射正交極化波的簡并模，并在腔體內引入某種不對稱性，以便消除這兩個模的簡并性。單饋點圓極化微帶天線的幾何結構有(準)方形、(橢)圓形及多邊形等多種形式。

圖1是單饋點方形圓極化微帶天線的示意圖。這種后饋式單饋點圓極化微帶天線是通過天線基片背面一點饋電，在A型中把饋點F放置在x軸上，在B型中把饋電點設定在對角線上，通過附加簡并分離單元△S來解出簡并模的衰減。簡并分離單元的符號在A型中取為負(△S0)，在B型中取為正(△S>0)。對于A型O△S／SO=1／2Q；對于B型O△S／SO=1／Q，其中Q為微帶天線的品質因數。

本文所設計的天線采用雙層貼片，上、下層貼片均加工在厚度為3 mm，介電常數為9.2的介質材料上，如圖2所示。

探針直接穿過下層微帶貼片天線的過孔連接到上層微帶貼片天線上，下層微帶貼片天線是上層微帶貼片天線的寄生單元，不用單獨饋電，通過上層天線電磁耦合饋電。雙頻天線的潴振頻率由上、下層微帶貼片的大小決定：

其中，c為自由空間中的光速，L為微帶貼片天線的實際長度，△l是由邊緣效應引起的電納可用延伸長度，εr為微帶天線介質板的相對介電常數。微帶天線的圓極化輻射通過選擇正方形切角的大小來實現。

2.2 天線方向圖和S參數的計算

計算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS軟件。饋源使用微波端口，加在同軸線的端口上，求解頻率設置為1.57 GHz，在1～2 GHz之間使用快速掃頻。

計算采用自適應求解過程，迭代次數設為6，每次計算要比前次計算所剖分的網格數增加20％，2次計算得到的S參數的幅度和相位改變量小于0.2或計算滿6次，則求解結束。計算所得的S參數反映了輸入端口能量的反射及能量的利用率。軸比則反映了天線輻射圓極化波的性能。

3天線的仿真結果

雙頻天線的S參數、方向圖以及各個頻段的軸比分別如圖3～圖5所示。

從圖3中可以看出，天線能夠很好地工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。在這兩個波段上，天線的S參數均小于-12 dB，從而能夠完成接收衛星信號的功能。

圖4表明天線在工作頻段有良好的方向性和增益，能夠盡可能地接收來自衛星的信號。

由圖5(a)可以看出，天線工作在1.27 GHz時，在-70°～70°之間的軸比小于3.5，當天線工作在1.57 GHz時，天線從-70°～90°的軸比都小于3.5，基本能夠滿足GPS系統對天線軸比的要求。

4結 語

本文設計了一個雙頻段圓極化微帶天線，該天線能夠工作在GPS的L1頻段和RNSS B3頻段。該天線選用同種介電常數的材料，采用單饋點的方式，使得微帶天線能夠工作在雙頻，與常規的微帶雙頻天線相比，因為在兩層微帶天線之間沒有引入空氣層，該天線具有體積小的優點，而且天線的兩層使用了同種材料，也便于加工。同時本文的設計方法可應用于其他雙頻及多頻天線的設計。