陳侃，袁家德

　?。ǜＶ荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

        摘要：設(shè)計了一款應(yīng)用于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航終端的收發(fā)雙端口高隔離度圓極化微帶天線。天線采用單層嵌套結(jié)構(gòu)并在貼片上切角實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化輻射，通過在收發(fā)兩端口間加載探針短路墻提高天線兩端口間隔離度。仿真與測試結(jié)果表明，該天線兩端口分別工作于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)射頻段BD1L（中心工作頻率1 616 MHz）和接收頻段BD1S（中心工作頻率2 492 MHz），收發(fā)兩端口間隔離度|S12|在BD1S接收頻段大于35 dB。

　　關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；微帶天線；雙頻段；圓極化；高隔離度

　　中圖分類號：TN821.1-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.020

　　引用格式：陳侃，袁家德. 北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航終端高隔離度微帶天線［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（6）：66-67,71.

0引言

　　*基金項目：福建省發(fā)改委2014年產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新專項；福州市科技項目計劃(2015G61)中國自行研發(fā)設(shè)計的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已廣泛應(yīng)用在民用和軍用領(lǐng)域，天線作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能［1］。北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航天線要求天線工作在BDS1 L頻段(1 615.68±4.08 MHz)和BDS1 S頻段(2 491.75±4.08 MHz)，其中低頻輻射左旋圓極化波，高頻輻射右旋圓極化波，收發(fā)端口間的隔離度應(yīng)大于15 dB［2］。

　　微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低、容易生產(chǎn)等特點(diǎn)，在導(dǎo)航類天線中被廣泛應(yīng)用。然而大多數(shù)導(dǎo)航天線采用疊層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻［35］，增加了天線的剖面。文獻(xiàn)［4］采用疊層結(jié)構(gòu)覆蓋GPS雙頻，該天線利用高介電常數(shù)板材減小天線尺寸，其輻射性能好，但帶寬較窄，加工精度要求高，造價高且剖面較大。部分北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航天線采用單層結(jié)構(gòu)降低剖面［68］，文獻(xiàn)［6］采用單層嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻輻射，單饋切角實(shí)現(xiàn)圓極化，但雙端口間隔離度差。文獻(xiàn)［7］采用單層嵌套結(jié)構(gòu)覆蓋北斗一代收發(fā)雙頻，利用3 dB耦合器實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射并提高收發(fā)端口間的隔離度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了成本。文獻(xiàn)［8］采用環(huán)形嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙頻輻射，同時使用金屬化過孔提高雙端口隔離度，天線尺寸相對較大。

　　本文設(shè)計了一款覆蓋北斗一代收發(fā)雙頻的單層圓極化微帶天線，天線結(jié)構(gòu)簡單，剖面低，易于加工，收發(fā)端口間具有很高的隔離度，輻射性能良好，適用于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航終端。

1天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

　　圖1給出了天線結(jié)構(gòu)示意圖，天線輻射貼片采用嵌套結(jié)構(gòu)，蝕刻在厚度為h的FR4介質(zhì)基板上。天線整體尺寸為L×L×h，其中，內(nèi)層貼片邊長為L2，覆蓋北斗一代接收頻段BDS1 S頻段，外層貼片尺寸較大，其邊長為L1，覆蓋北斗一代發(fā)射頻段BDS1 L頻段，內(nèi)外貼片間留有環(huán)形槽，其寬度為w。外層貼片加載4個枝節(jié)的長度為a1，內(nèi)層貼片縫隙的深度為a2，都是用來微調(diào)天線的諧振頻率。

　　為了激勵起內(nèi)外貼片輻射圓極化波，天線采用單饋法且引入恰當(dāng)?shù)那薪俏_，使簡并模分離，激勵出兩個極化正交、幅度相等、相位相差90°的模式，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射。外層貼片饋電點(diǎn)與天線中心的距離為d1，切角邊長為c1，內(nèi)層貼片饋電點(diǎn)與天線中心的距離為d2，切角邊長為c2。

　　由于內(nèi)外貼片在同一層，耦合度高，相互影響大，端口間隔離度差，為了提高收發(fā)端口間的隔離度，在內(nèi)外貼片間加載探針短路墻，將內(nèi)外層電場隔離開，大大增加了收發(fā)端口間的隔離度。

　　利用電磁仿真軟件設(shè)計和優(yōu)化天線，天線優(yōu)化尺寸如下（單位：mm）：L=75，L1=71，L2=28.3，w=2，a1=20，a2=0.7，c1=4.4，c2=3，d1=33，d2=5.8，d3=17，h=1.6。根據(jù)最優(yōu)仿真結(jié)果加工天線。

2天線仿真及測試結(jié)果分析

　　2.1S參數(shù)

　　圖2天線S參數(shù)仿真與測試曲線圖圖2為天線S參數(shù)的仿真及測試結(jié)果，低頻反射系數(shù)S11(S11≤-10 dB)仿真帶寬為53 MHz(1.586 GHz~1.639 GHz)，覆蓋BDS-1 L 頻段；高頻反射系數(shù)S22(S22≤-10 dB)仿真帶寬為88 MHz(2.449 GHz~2.537 GHz)，可覆蓋BDS1 S 頻段。測試結(jié)果與仿真結(jié)果較好吻合。從圖2中可以看出，天線端口間S12的仿真與測試結(jié)果在1.5~1.7 GHz頻帶范圍內(nèi)小于-40 dB，在2.4~2.6 GHz頻帶范圍內(nèi)小于-35 dB，說明天線收發(fā)端口間具有非常好的隔離效果。

　　2.2軸比

　　圖3和圖4是天線在北斗一代收發(fā)頻段中心頻率1.616 GHz和2.492 GHz處軸比仿真結(jié)果，由圖可以看出在phi=0、theta=0時，xz面、yz面天線的軸比均小于3 dB且低頻3 dB軸比波束寬度為80°，高頻3 dB軸比波束寬度為110°。

　　2.3增益

　　圖5和圖6是天線在頻率為1.616 GHz和2.492 GHz處的增益方向圖，從圖中可以看出天線在低頻輻射左旋圓極化波，增益為1.84 dB，在高頻輻射右旋圓極化波，增益為3.08 dB。

3結(jié)論

　　本文設(shè)計了一款應(yīng)用于北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航終端的圓極化微帶天線。該天線剖面低，完全覆蓋北斗一代收發(fā)雙頻，加載探針短路墻，大大提高了收發(fā)端口間隔離度。天線結(jié)構(gòu)簡單，使用FR4板材，易于加工，仿真與測試結(jié)果表明天線性能良好，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 李瑞, 郭曉棟, 吳多龍,等. 一種層疊結(jié)構(gòu)雙頻圓極化GPS天線的設(shè)計［J］. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2011, 28(1):28-31.

　?。?］ Wu Qi, Wang Haiming, Yu Chen, et al. L/SBand dualcircularly polarized antenna fed by 3dB coupler［J］. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2015（14）:426429. ［3］ 陳兆豐, 潘錦. 應(yīng)用于北斗和GPS的雙頻小型圓極化微帶天線［J］. 電子科技, 2014, 27(12):116-119.

　　［4］ Chen Shichai, Liu Guangcong, Chen Xiangyu, et al. Compact dualband GPS microstrip antenna using multilayer LTCC substrate［J］. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2010, 9(1):421-423.

　?。?］ 楊杰, 盧春蘭, 沈菊鴻. 雙頻雙圓極化小型化微帶天線的設(shè)計［J］. 軍事通信技術(shù), 2013,34(3):16-19.

　　［6］ LI T W, LAI C L, SUN J S. Study of dualband circularly polarized microstrip antenna［C］. IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics, 2005:7980.

　?。?］ Yang Xiaojie, Yuan Jiade. Dualband and dualcircularly polarized microstrip antenna with low elevation gain improvement for CNSS applications［J］. Microwave & Optical Technology Letters, 2016, 58(5):1016-1022.

　?。?］ 張景山, 陳勝榮, 楊忠. 一種單層雙頻微帶天線［P］. 中國：CN102468534A， 201205-23.