一種可用于北斗衛星信號接收的微帶天線設計

摘要：基于微帶天線技術提出一種應用于北斗導航系統的新型天線設計。該天線采用FR?4襯底上的彎曲微帶和含有通孔的微帶貼片實現。天線的小型化設計可使其更好地應用于北斗導航之中。與此同時，與常規的天線相比，該天線擁有更好的反射系數。實驗結果表明，這里設計的天線非常適用于北斗導航系統，進而可應用于車輛導航系統之中。

關鍵詞：北斗導航系統； 微帶天線； 天線設計； 衛星信號接收

中圖分類號： TN965+.2?34； TP751 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0058?03

0 引 言

中國的北斗導航系統正在迅速的發展，并將廣泛應用于諸多領域中。北斗導航系統的民用信號頻率（L1）為（1 575.42±10） MHz。為了良好地接收北斗系統的信號，衛星信號的接收天線性能至關重要。天線的性能受多種因素的制約，例如天線的尺寸，多徑效應，帶寬和反射系數（S11）等等。其中，反射系數和帶寬是關鍵性因素。圓極化（Circular Polarization，CP）微帶天線廣泛應用于無線局域網絡（Wireless Local Area Networks， WLAN），全球定位系統（Global Positioning System， GPS），移動衛星，無線射頻識別技術（Radio Frequency Identification，RFID）等領域[1]。憑借著小尺寸、高性能的優勢，微帶天線亦將在北斗導航系統中得到廣泛應用。

現有的天線設計技術包括陣列天線[2]、螺旋天線[3]和短路環形貼片（Shorted Annular Patch，SAP）天線[4]。雖然大多數現有的解決方案可以提供期望的輻射特性，但是尺寸和重量方面的劣勢導致它們在很多的實際應用中不具有可行性。文獻[5]提出了一種使用三角形貼片的雙頻帶天線設計，該設計在三角形貼片的兩個角上添加了額外的臂長。其設計的小尺寸天線可以覆蓋高頻頻帶，通過在主體上添加額外的諧振元件，亦可以覆蓋到低頻頻段。此外，文獻[6]中設計的天線通過采用具有較高介電常數（[εr=]15.5）、在地平面上嵌入四個槽的襯底，可以減小天線的尺寸，使天線在雙頻帶的模式下工作。

盡管研究人員提出許多的方法，但是由于信號接收中心頻率，輻射增益等參數的原因，現有方法均不能很好地應用于北斗導航系統。在本文中提出符合北斗導航系統需求的單頻帶天線的設計。

1 基于微帶線技術的北斗天線的設計

目前用微帶天線實現圓極化輻射主要有以下四種方法：正交饋電的單片圓極化微帶天線，一點饋電的單片圓極化微帶天線，曲線微帶構成的寬帶圓極化微帶天線和微帶天線陣構成的圓極化微帶天線。本文采用曲線微帶構成的寬帶圓極化微帶天線，其擁有很好的圓極化輻射特性。

本文采用HFSS 軟件進行微帶天線的設計及仿真。本文的天線設計如圖1所示。這種新型的雙頻天線采用位于兩個不同層的微帶的FR4襯底（厚度為1.6 mm，[εr]為4.4）實現。這兩層的微帶為傳輸介質，用于耦合接收信號。此外，這種設計方法可以有效地減小天線的尺寸，實現小型化設計。緊湊的設計非常適用于手持式和移動設備。天線的工作頻率（L1波段）可以進行調整，以適用于北斗導航系統。

圖1 單頻帶北斗導航系統天線設計

圖2為模擬頻率響應，相關的輻射方向圖如圖3所示。在極化圖上，該信號非常好，大約在-90°～90°之間，在該區域，信號可由本文設計的新型天線良好接收。天線的工作頻率在1.575 GHz左右，并擁有較好的27 dB的回波損耗（S11）。

圖2 單頻帶天線的模擬頻率響應

圖3 新穎的緊湊型單頻帶天線的輻射圖

天線在立體空間會向各個方向輻射出能量，而衡量輻射能量的指標是增益。增益即是在輸入功率相等的條件下，也就是實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產生的信號的功率密度之比，可用下式表示：

[G=10lg PrealPideal]

式中變量[G]是天線的輻射增益，[G]值的大小代表該信號性能的好壞，較大的[G]值說明在這個頻率上信號較好，而弱[G]值則代表弱信號。在本天線的設計中，要獲得良好的信號，[G]值通常需要大于3 dB。當輸入功率[Pinput]相同的情況下，[Pideal]是在理想的情況下特定位置上的輻射功率，而[Preal]是在同一位置上的實際輻射功率。由圖3可以看出，增益[G]高于13.40 dB。因此，電場輻射增益足夠強大。根據輻射增益的理論，本設計能滿足應用需求，實現信號的良好接收。而且，幾乎在所有方向上，信號都非常好。所以這種設計方法可應用于北斗應用系統。工作頻率大約為1.575 GHz，與相關的協議匹配。

2 實驗模擬和測量結果

為了驗證本文提出的天線設計方案，實驗中基于FR?4（厚度1.6 mm，[εr=]4.4）襯底實現。所制造的天線的實物圖如圖4所示。圖中微帶天線放置在兩個不同層面上。在兩個層的微帶可視為用于耦合接收信號的傳輸介質。此外， 此微帶設計方法通過減小尺寸來實現天線的小型化。

圖4 所制作的單頻天線羅盤的應用

本微帶天線所獲得的測量結果見圖5。可以看出，實驗中實現的天線以27 dB的回波損耗工作在1.57 GHz的中心頻率。此外，微帶天線的尺寸非常小，規格為60 mm×25 mm。測量結果驗證了本設計的可行性。

圖5 實驗中測量的單頻帶天線的頻率響應

為了比較本文所提出的方案與現有設計的性能，表1列出本文設計天線和部分參考文獻中天線的性能比較。由表1可以看出，本文設計的天線的體積最小，僅為60 mm×25 mm。同時，本設計獲得了高達18.5 dB的輻射增益，且反射系數（S11）為-22 dB。此外，本文所提出的設計可以調整微帶線的長度以獲取不同的天線中心頻率。

綜上，本文所提出的天線設計方案可以被用于設計接收北斗衛星導航系統中的民用信號（1.575 GHz），相比于現有的設計方法，本文所提出的方案有一定的優勢。

表1 本文中的天線設計與其他天線設計性能比較

3 結 語

本文提出一種用于北斗導航系統的天線設計。該微帶天線由DGS層和第二層組成。在兩個層的微帶可視為傳輸介質用于耦合接收信號。測得的輻射方向圖表明，天線具有優良的導電性、緊湊性、重量輕和成本低等特點，也證明了所提出的天線設計的可行性。

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