一種雙頻段圓極化移動導航終端天線的設計

摘 要：給出了一款應用于北斗導航衛星系統（CNSS）B1頻段/S頻段的雙頻圓極化縫隙天線的設計方法。該天線采用微帶線進行饋電，在地板上開有兩個方形螺旋槽，其總槽長度大約均為一個自由空間操作波長。通過調節螺旋槽的終點處的長度即可獲得最適宜的軸比，從而實現圓極化。另外，還可以通過調節螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬。在地板中央切去一個圓環形槽可增大感應電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。通過仿真軟件HFSS對天線結構參數進行優化設計，并制作實物。其仿真及實測結果表明：回波損耗小于-10 dB的阻抗帶寬為38.5%，且在阻抗帶寬內天線的相對軸比帶寬也達到了大約5%。

關鍵詞：雙頻圓極化；螺旋槽；回波損耗；軸比

中圖分類號：TN82 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0027-03

0 引 言

由于圓極化天線具有接收效率高、抗多徑反射、抗干擾等性能優點，因此在衛星導航系統中得到了廣泛的應用。具有多頻段、圓極化和寬帶特點的移動導航終端天線是近年來衛星導航天線研究的熱點[1]。在文獻[2]中， 提出了一種寬帶圓極化縫隙天線，在地板上開有單線波圓形螺旋槽來實現圓極化，但缺點是不容易確定所需的圓形螺旋槽的尺寸，圓極化的實現難度較大。為了解決這一問題，在文獻[3]中提出了一種利用空間順序旋轉技術的寬帶圓極化縫隙天線，在地板上開有單個方形螺旋槽來實現圓極化，但是需要同時調節方形螺旋槽的始端和末端的長度來實現圓極化，導致圓極化的實現難度增大。本文設計了一種更簡單的微帶線饋電的圓極化縫隙天線，在地板上開有兩個方形螺旋槽，該結構只需要同步調節螺旋槽的末端的長度即可實現圓極化。另外，還可以通過調節螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬；在地板中央切去一個圓環形槽以降低圓極化的中心頻率。應用仿真軟件HFSS對該天線進行仿真優化，并制作了實物。仿真及實測結果表明，該天線的相對駐波帶寬達到38.5%，相對軸比帶寬達到約5%。

1 天線設計

該天線印制在一塊厚度為1 mm，相對介電常數為4.4，損耗角正切為0.019的低耗FR4介質基板上，該基板的平面尺寸為L0×W0。在它的正面印制天線的輻射貼片單元，背面印制微帶饋線。圖1（a）中，在地板上開有兩個方形的螺旋槽，每個方形螺旋槽外側的長度從內到外均依次為L，L+w，L+2w，L+3w，L+4w，L+5w。此處，w為方形螺旋槽的寬度，d為方形螺旋槽末端枝節長度的調節量，通過調節d的大小可以獲得最適宜的軸比，從而實現圓極化。每個方形螺旋槽外側的總長度均為6L+15w-d，大約為所需諧振頻率處的一個自由空間操作波長。在地板的中心位置切去一個圓環形槽，增大感應電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。該圓弧形槽的外半徑為R1，內半徑為R2。微帶饋線的結構如圖1（b）所示，微帶饋線設計為50 Ω，其導電貼片的寬度為Wf，末端的兩個開路枝節均位于地板上的方形螺旋槽的中央，分別與SMA射頻接頭相連接。通過電磁仿真軟件HFSS 14.0進行建模仿真，對各項參數進行優化調節，得到最佳參數尺寸如下：L0=100mm，W0=65 mm，R1=7 mm，R2=4 mm，L=22 mm，w=2mm，d=1.5mm，Wf=3 mm。

2 仿真與實測結果

根據上述仿真優化的結果，加工并制作了天線實物，如圖2所示。圖2（a）為天線正面圖，圖2（b）為天線背面圖。為了驗證仿真結果的準確性，采用Agilent E5071C矢量網絡分析儀實際測量了天線的S參數，并將實測和仿真結果進行了對比。由于實驗條件的限制，未能對天線的軸比、方向圖等參數進行實際測量。

（a） 天線正面圖 （b） 天線背面圖

天線回波損耗的仿真結果如圖3所示。可以看出，該天線在頻段1.35～1.78 GHz，2.35～2.63 GHz內的S11均小于-10 dB，相對駐波帶寬達到38.5%，滿足指標要求。天線在1.3～2.7 GHz內增益的仿真曲線圖如圖4所示，可看出天線在中心頻率附近處的增益都較好，整體輻射性能達到要求。

天線軸比隨頻率變化的仿真曲線如圖5所示。其中，圖5（a）為1.575 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化的仿真曲線，圖5（b）為2.492 GHz中心頻率處附近的軸比隨頻率變化的仿真曲線。從圖中可以看到頻率在1.56～1.60 GHz范圍和2.47～2.53 GHz范圍內天線軸比均小于3 dB，相對軸比帶寬達到約5%，有著良好的圓極化特性。

（a） 1.575 GHz頻率處附近的軸比曲線

（b） 2.492 GHz頻率處附近的軸比曲線

該天線的結構決定了其具有雙面輻射的特性。天線在中心頻率1.575 GHz和2.492 GHz處的仿真歸一化方向圖分別如圖6（a）、圖6（b）所示。從兩幅圖可以看出天線在正面輻射的右旋圓極化波的增益遠大于左旋圓極化波的增益，故在正面輻射右旋圓極化波。與此相反，在背面輻射的為左旋圓極化波。

（a） 1.575 GHz處的方向圖

（b） 2.492 GHz處的方向圖

頻率在1.575 GHz，2.492 GHz時天線圓極化軸比隨角度變化的曲線分別如圖7（a）、（b）所示，從圖7可見，該天線在中心頻點處的軸比小于3 dB的波束寬度，大約達到了65°。

3 結 語

本文提出了一種微帶線饋電的雙頻段圓極化縫隙天線。在地板上開有兩個方形螺旋槽，并通過同步調節這兩個方形螺旋槽末端的長度即可獲得最適宜的軸比，從而實現圓極化。另外，還可以通過調節方形螺旋槽的寬度來獲得較大的軸比帶寬；在地板中央切去一個圓環形槽以增大感應電流的路徑，從而降低圓極化的中心頻率。仿真及實測結果表明，天線相對阻抗帶寬達到38.5%，且在阻抗帶寬內天線的相對軸比帶寬也達到了大約5%。該天線具有低剖面和結構穩固的特點，且結構簡單易于制造，具有一定的實際應用價值。

參 考 文 獻

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