小型双频圆极化微带天线

1 引 言

由于微带天线的尺寸小、成本低、易加工的诸多特点，微带天线在卫星通信及卫星导航领域得到广泛使用。近年，随着多模卫星组合导航技术的发展，可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了广泛重视。微带天线多数加工在高介电常数的介质上，这种天线在低仰角性能好，并且带宽较宽，同时具有良好的广角圆极化特性。微带天线的双频化方法很多，根据不同形状的微带天线，实现双频的方式也不同。若用单馈点方式实现双频化，一般有两种方式：一种是使用一块贴片，如通过加载或者开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频或者多频工作，另一种是使用双层贴片。但是通常的报道中，双层贴片天线要么加工在不同的介质上，要么加工在同一种介质上时，引入了空气层，使得加工不便，并且增大了尺寸。 本文设计了一种可同时工作在GPS的L1(1.575 GHz)频段和RNSS B3(1.268 GHz)频段的双频圆极化微带天线，天线通过单个探针馈电，双层正方形切角的微带贴片天线印制在相同介电常数的介质上，与一般的双层圆极化微带贴片天线相比，由于没有在两层贴片之间引入空气层，两层之间的介电常数也相同，从而天线的尺寸变小了，天线结构紧凑，更加便于生产加工。

2天线模型

2.1单馈点圆极化双频微带天线

单馈点无需任何移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐射。他基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化波的简并模，并在腔体内引入某种不对称性，以便消除这两个模的简并性。单馈点圆极化微带天线的几何结构有(准)方形、(椭)圆形及多边形等多种形式。

图1是单馈点方形圆极化微带天线的示意图。这种后馈式单馈点圆极化微带天线是通过天线基片背面一点馈电，在A型中把馈点F放置在x轴上，在B型中把馈电点设定在对角线上，通过附加简并分离单元△S来解出简并模的衰减。简并分离单元的符号在A型中取为负(△S<0)，在B型中取为正(△S>0)。对于A型∣△S／S∣=1／2Q；对于B型∣△S／S∣=1／Q，其中Q为微带天线的品质因数。

本文所设计的天线采用双层贴片，上、下层贴片均加工在厚度为3 mm，介电常数为9.2的介质材料上，如图2所示。

探针直接穿过下层微带贴片天线的过孔连接到上层微带贴片天线上，下层微带贴片天线是上层微带贴片天线的寄生单元，不用单独馈电，通过上层天线电磁耦合馈电。双频天线的潴振频率由上、下层微带贴片的大小决定：

其中，c为自由空间中的光速，L为微带贴片天线的实际长度，△l是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度，εr为微带天线介质板的相对介电常数。微带天线的圆极化辐射通过选择正方形切角的大小来实现。

2.2 天线方向图和S参数的计算

计算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS软件。馈源使用微波端口，加在同轴线的端口上，求解频率设置为1.57 GHz，在1～2 GHz之间使用快速扫频。

计算采用自适应求解过程，迭代次数设为6，每次计算要比前次计算所剖分的网格数增加20％，2次计算得到的S参数的幅度和相位改变量小于0.2或计算满6次，则求解结束。计算所得的S参数反映了输入端口能量的反射及能量的利用率。轴比则反映了天线辐射圆极化波的性能。

3天线的仿真结果

双频天线的S参数、方向图以及各个频段的轴比分别如图3～图5所示。

从图3中可以看出，天线能够很好地工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。在这两个波段上，天线的S参数均小于-12 dB，从而能够完成接收卫星信号的功能。

图4表明天线在工作频段有良好的方向性和增益，能够尽可能地接收来自卫星的信号。

由图5(a)可以看出，天线工作在1.27 GHz时，在-70°～70°之间的轴比小于3.5，当天线工作在1.57 GHz时，天线从-70°～90°的轴比都小于3.5，基本能够满足GPS系统对天线轴比的要求。

4结 语

本文设计了一个双频段圆极化微带天线，该天线能够工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。该天线选用同种介电常数的材料，采用单馈点的方式，使得微带天线能够工作在双频，与常规的微带双频天线相比，因为在两层微带天线之间没有引入空气层，该天线具有体积小的优点，而且天线的两层使用了同种材料，也便于加工。同时本文的设计方法可应用于其他双频及多频天线的设计。