一种双频段圆极化移动导航终端天线的设计

引言

由于圆极化天线具有接收效率高、抗多径反射、抗干扰 等性能优点，因此在卫星导航系统中得到了广泛的应用。具 有多频段、圆极化和宽带特点的移动导航终端天线是近年来卫 星导航天线研究的热点。在文献中，提出了一种宽带圆 极化缝隙天线，在地板上开有单线波圆形螺旋槽来实现圆极 化，但缺点是不容易确定所需的圆形螺旋槽的尺寸，圆极化的 实现难度较大。为了解决这一问题，在文献中提出了一种 利用空间顺序旋转技术的宽带圆极化缝隙天线，在地板上开 有单个方形螺旋槽来实现圆极化，但是需要同时调节方形螺 旋槽的始端和末端的长度来实现圆极化，导致圆极化的实现 难度增大。本文设计了一种更简单的微带线馈电的圆极化缝隙 天线，在地板上开有两个方形螺旋槽，该结构只需要同步调 节螺旋槽的末端的长度即可实现圆极化。另外，还可以通过 调节螺旋槽的宽度来获得较大的轴比带宽；在地板中央切去 一个圆环形槽以降低圆极化的中心频率。应用仿真软件HFSS 对该天线进行仿真优化，并制作了实物。仿真及实测结果表明， 该天线的相对驻波带宽达到38.5%，相对轴比带宽达到约5%。

1天线设计

图1给出了该天线的整体结构示意图。其中图1 (a)为天 线俯视图，图1 (b)为天线仰视图。

该天线印制在一块厚度为1 mm，相对介电常数为4.4， 损耗角正切为0.019的低耗FR4介质基板上，该基板的平面 尺寸为&XW。。在它的正面印制天线的辐射贴片单元，背面印 制微带馈线。图1(a)中，在地板上开有两个方形的螺旋槽， 每个方形螺旋槽外侧的长度从内到外均依次为L，L+w，L+2w， L+3w，L+4w，L+5w。此处,w为方形螺旋槽的宽度，d为方形 螺旋槽末端枝节长度的调节量，通过调节d的大小可以获得 最适宜的轴比，从而实现圆极化。每个方形螺旋槽外侧的总 长度均为6L+15w— d，大约为所需谐振频率处的一个自由空 间操作波长。在地板的中心位置切去一个圆环形槽，增大感 应电流的路径，从而降低圆极化的中心频率。该圆弧形槽的 外半径为R1，内半径为R2。微带馈线的结构如图1(b)所 示，微带馈线设计为50 Q,其导电贴片的宽度为W末端 的两个开路枝节均位于地板上的方形螺旋槽的中央，分别与 SMA射频接头相连接。通过电磁仿真软件HFSS 14.0进行 建模仿真，对各项参数进行优化调节，得到最佳参数尺寸如 下：0=100 mm, W)=65 mm, R「7 mm, R?=4 mm, L=22 mm，

2 仿真与实测结果

根据上述仿真优化的结果，加工并制作了天线实物，如 图 2 所示。图 2（a）为天线正面图，图 2（b）为天线背面图。 为了验证仿真结果的准确性，采用 Agilent E5071C 矢量网络 分析仪实际测量了天线的 S 参数，并将实测和仿真结果进行 了对比。由于实验条件的限制，未能对天线的轴比、方向图等 参数进行实际测量。

天线回波损耗的仿真结果如图3所示。可以看出，该天 线在频段1.35〜1.78 GHz, 2.35〜2.63 GHz内的S11均小 于一10 dB,相对驻波带宽达到38.5%,满足指标要求。天线 在1.3〜2.7 GHz内增益的仿真曲线图如图4所示，可看出天 线在中心频率附近处的增益都较好，整体辐射性能达到要求。

图3回波损耗随频率变换曲线

图4增益曲线图

天线轴比随频率变化的仿真曲线如图5所示。其中，图5

(a)为1.575 GHz中心频率处附近的轴比随频率变化的仿真曲 线，图5(b)为2.492 GHz中心频率处附近的轴比随频率变化 的仿真曲线。从图中可以看到频率在1.56〜1.60 GHz范围和

2.47〜2.53 GHz范围内天线轴比均小于3 dB,相对轴比带宽 达到约5%,有着良好的圆极化特性。

(a) 1.575 GHz频率处附近的轴比曲线

(b) 2.492 GHz频率处附近的轴比曲线

图5轴比随频率变换曲线

该天线的结构决定了其具有双面辐射的特性。天线在中 心频率1.575 GHz和2.492 GHz处的仿真归一化方向图分别如 图6(a)、图6(b)所示。从两幅图可以看出天线在正面辐射 的右旋圆极化波的增益远大于左旋圆极化波的增益，故在正 面辐射右旋圆极化波。与此相反，在背面辐射的为左旋圆极 化波。

(a) 1.575 GHz处的方向图

(b) 2.492 GHz处的方向图

图6天线归一化方向图

频率在 1.575 GHz，2.492 GHz 时天线圆极化轴比随角度变化的曲线分别如图 7（a）、（b）所示，从图 7 可见，该天线在中心频点处的轴比小于 3 dB 的波束宽度，大约达到了65°。

3 结 语

本文提出了一种微带线馈电的双频段圆极化缝隙天线。在地板上开有两个方形螺旋槽，并通过同步调节这两个方形螺旋槽末端的长度即可获得最适宜的轴比，从而实现圆极化。另外，还可以通过调节方形螺旋槽的宽度来获得较大的轴比带宽 ；在地板中央切去一个圆环形槽以增大感应电流的路径，从而降低圆极化的中心频率。仿真及实测结果表明，天线相对阻抗带宽达到 38.5%，且在阻抗带宽内天线的相对轴比带宽也达到了大约 5%。该天线具有低剖面和结构稳固的特点，且结构简单易于制造，具有一定的实际应用价值。

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