雙頻圓極化GNSS天線設(shè)計(jì)

0 引言
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)由于其具有全能性(陸地、海洋、航空和航天)、全球性、全天性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位與定時(shí)功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間信息，而備受人們青睞。天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端起著舉足輕重的作用，其性能直接影響著整個(gè)系統(tǒng)。
通常應(yīng)用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端天線有四臂螺旋天線和微帶天線兩種形式。四臂螺旋天線通過(guò)改變其物理尺寸可形成不同的輻射方向圖來(lái)滿足不同空間的應(yīng)用需求，但由于其成本高，軸向尺寸大等缺點(diǎn)極大地限制了它的發(fā)展。與此同時(shí)微帶天線的出現(xiàn)使人們看到了希望，由于其體積小，剖面低，能與載體共形，易于實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)受到了人們的極大關(guān)注，而頻帶窄，增益小等缺點(diǎn)也阻礙著其發(fā)展，但同時(shí)吸引著大量的研究。目前基于不同饋點(diǎn)個(gè)數(shù)，和新型貼片結(jié)構(gòu)的微帶天線得到了廣泛的研究。Chari Ricky和Mak Chi-Lun等人提出了通過(guò)在貼片上開(kāi)E型槽來(lái)得到滿意的帶寬，但這種方法所設(shè)計(jì)的天線尺寸很大。在文獻(xiàn)中介紹了加載短路銷釘?shù)膱A形微帶天線和矩形微帶天線，在天線的工作頻率上，天線的尺寸縮小了89％。本文結(jié)合上述兩種方法提出并設(shè)計(jì)了一種新型的層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線，通過(guò)在貼片上對(duì)稱的開(kāi)四個(gè)槽，并利用使各饋點(diǎn)之間的相位相差90°的旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，有效地?cái)U(kuò)展了天線的阻抗帶寬，并使天線的尺寸減小了26％。

1 腔膜理論分析
選擇如圖1所示的坐標(biāo)系，當(dāng)hλ0時(shí)，假設(shè)貼片與接地板之間的磁場(chǎng)只有Hx和Hy分量，電場(chǎng)只有Ez分量，內(nèi)場(chǎng)不隨z坐標(biāo)變化，四周為磁壁，貼片和接地板之間為電壁。

Ez滿足波動(dòng)方程：

由麥克斯韋方程組可解得Hx和Hy：

即得到腔內(nèi)的場(chǎng)分布，同時(shí)可得到天線的諧振頻率為：

由以上計(jì)算可得天線的貼片尺寸a和b，其中a和b是考慮了邊緣效應(yīng)后的等效尺寸，它與物理尺寸a’和b’之間的關(guān)系為：

分別為基片的厚度和等效介電常數(shù)。

2 天線模型的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
基于腔膜理論結(jié)合表面開(kāi)槽法(曲流技術(shù))和短路銷釘加載技術(shù)，本文設(shè)計(jì)并優(yōu)化了一種新型的小型化層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由上、下兩層貼片，短路探針及同軸線組成，采用雙層貼片，上、下兩層選用相同介電常數(shù)的聚四氟乙烯材料(相對(duì)介電常數(shù)εr1= εr2=4．4，損耗角正切值為tanδ=0．001)，基片厚度為4 mm。同軸線通過(guò)下層貼片的鉆孔連接到上層貼片，下層貼片是上層貼片的寄生單元，通過(guò)探針直接饋電。通過(guò)調(diào)節(jié)上、下兩層貼片的尺寸實(shí)現(xiàn)L1(1．575 GHz)和L2(1．227 GHz)兩個(gè)諧振頻率?；诓ò陮挾?、效率及帶寬性能的考慮選用正方形微帶貼片作為輻射單元，并在貼片邊緣對(duì)稱地開(kāi)四個(gè)矩形槽，既保證了這種單元結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)良好的正交極化輻射特性；又可通過(guò)調(diào)節(jié)所開(kāi)矩形槽的尺寸，在反射損耗基本不變的情況下極大地改善了天線的軸比帶寬，使其軸比帶寬在一定程度上得到了擴(kuò)展；同時(shí)由于在貼片上開(kāi)槽使貼片的表面電流路徑增長(zhǎng)，降低了其諧振頻率，從而減小了貼片的尺寸，使其滿足了實(shí)際應(yīng)用中要求的指標(biāo)。

采用電磁仿真軟件CST，應(yīng)用時(shí)域有限差分法對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)仿真分析及優(yōu)化，下層貼片尺寸L2×L2=51．6 mm× 51．6 mm，縫隙的尺寸Ls2×Lw2=10．2 mm×5 mm，上層貼片尺寸L1×L1=39．5 mm×39．5 mm，縫隙的尺寸Ls1×Lw1=7．8 mm×5 mm?；谔炀€的對(duì)稱結(jié)構(gòu)采用8個(gè)同軸饋點(diǎn)對(duì)天線進(jìn)行饋電，上下兩層貼片均采用4個(gè)饋點(diǎn)錯(cuò)位倒向饋電技術(shù)，使天線的相位中心和圓極化性能保持穩(wěn)定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)所的得到的仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。天線在1．521～1．629 GHz和1．153～1．313 GHz頻段上，反射損耗S11-10dB，且在中心工作頻點(diǎn)1．575 GHz和1．227 GHz上反射損耗S11分別為-18．1 dB和-20．9 dB(如圖3所示)。圖4為1．575 GHz和1．227 GHz頻段上天線的極化軸比仿真結(jié)果，由此可見(jiàn)，在1．575 GHz，天線在-59°～59°范圍內(nèi)其極化軸比小于3 dB；在1．227 GHz，天線在-65°～+65°范圍內(nèi)其極化軸比小于3 dB。圖5給出了1．575 GHz和1．227 GHz頻段上圓極化天線的方向圖仿真結(jié)果，該仿真結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)頻率為1．575 GHz時(shí)，天線在ψ=0°方向的增益為6．1 dB，半功率寬度為104．5°；當(dāng)頻率為1．227 GHz時(shí)，天線在ψ=O°方向的增益為8．4 dB，半功率寬度為90．9°，以上性能均滿足實(shí)際工程中的要求。

3 結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用腔膜理論和時(shí)域有限差分法分析并設(shè)計(jì)了雙層結(jié)構(gòu)微帶層疊結(jié)構(gòu)。該層疊結(jié)構(gòu)微帶天線的設(shè)計(jì)結(jié)合了曲流技術(shù)和加載短路銷釘技術(shù)，使用CST電磁仿真軟件仿真。仿真結(jié)果表明，該天線的增益、阻抗帶寬等均優(yōu)于同結(jié)構(gòu)的矩形貼片微帶天線，完全滿足GNSS天線的性能要求，天線還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在無(wú)線通信領(lǐng)域中得到重要的應(yīng)用。