衛星導航接收機系統中的多層圓極化微帶天線設計

摘 要： 衛星導航接收機系統有時需要在較小的區域中放置多個不同頻率的圓極化接收天線。通過研究并設計出一種GPS的[L1]和[L2]雙頻點雙層疊放圓極化天線，可以在很大程度上節約空間。該天線上下層是兩個獨立的單饋點天線，可以分別在[L1]和[L2]頻段獨立工作，分別為右旋圓極化和左旋圓極化，可作接收天線和發射天線。天線由厚度為4 mm的復合材料加工而成，調試和組裝均比較方便。經過仿真分析優化，設計的天線增益較高，極化特性優良，帶寬滿足要求，完全適合于衛星導航接收機系統的應用。

關鍵詞： 圓極化； 微帶天線； 雙層疊放； 單饋點

中圖分類號： TN820.1?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0065?03

Abstract： Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite navigation receiver system. The double?deck circularly polarized antenna， which receives signals from the GPS with [L1]frequency point and [L2] frequency point is studied and designed to save space. The double?deck antenna consists of two separate single feed point antenna， which is working at [L1] frequency range and [L2] frequency range independently， right?hand circular polarization and left?hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna. It′s easy to debug and install since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material. The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain， excellent polarization and qualifies bandwidth requirement， and it is suitable for satellite navigation receiver system application.

Keywords： circular polarization； microstrip antenna； double?deck superposition； single feed point

0 引 言

隨著信息技術的發展，對天線性能的要求也越來越高，以往單純的線極化天線己很難滿足人們的需求。圓極化微帶天線[1?6]由于結合了微帶天線諸如結構緊湊、體積小、重量輕、剖面低、容易制造、易于集成并可附著于任意表面等優點和圓極化波能抑制雨霧的干擾、抗多徑反射、具有更好的移動性等優點，目前已廣泛應用于衛星通信、雷達、移動通信以及各種無線通信設備當中。隨著這些系統的發展，越來越需要多頻點圓極化微帶天線。

多頻段天線最常見的形式包括多層天線[7]和縫隙天線[8]。一般多層天線通常是相同極化模式的雙頻點天線，而縫隙天線結構比較復雜，不易加工。

本文設計一個雙頻點多層圓極化微帶天線，兩個頻點分別是：GPS的[L1]：1.575 42 GHz，[L2]： 1.227 6 GHz。天線結構共有兩層，上下兩層均采用單饋點切角結構[9]，分別用同軸線饋電，共有兩個饋電口，[L1]頻點天線是左旋圓極化天線，[L2]頻點天線是右旋圓極化天線，可作為發射天線和接收天線使用。使用HFSS軟件給出天線的仿真結果，并對結果進行分析。

1 天線設計

本文設計一個雙層[L1]和[L2]右旋圓極化微帶天線，具有較低的軸比，較好的帶寬特性和較高的增益。

天線模型如圖1所示，在直徑100 mm的金屬底板上放置兩層單饋電右旋圓極化微帶天線，上層[L1]頻段天線，下層[L2]頻段天線，天線采用同軸線饋電方式，有兩個饋電點（相對位置差90°）分別對上、下兩層天線饋電，上層天線的饋電同軸線從下層天線通孔穿過。

圖2給出影響天線性能的3個變量，a是方形貼片的邊長，決定諧振頻點的位置，a越大，諧振頻點越小，反之亦然；饋電點位置尺寸b主要影響天線輸入阻抗。以上兩個參數對天線性能的影響已經在經典微帶天線理論中有所體現，本文不做詳細分析。切角尺寸c的長度決定極化簡并分離單元[Δs，]這對單饋電圓極化微帶天線的圓極化性能有著至關重要的影響。

2 天線仿真

本文主要分析上層[L1]頻段天線切角尺寸c變化對上層和下層天線的影響。[L1]頻段天線切角尺寸c取三組數值分別為c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真結果如圖3～圖8所示，每個圖形中都有三條曲線，分別是天線的某一個性能指標在[L1]頻段天線切角尺寸c變化下所對應的曲線。其中虛線為c=5 mm所對應參數曲線，實線為c=5.5 mm所對應參數曲線，點線為c=6 mm所對應參數曲線。

3 結 語

由于衛星導航接收機系統逐漸微小化，往往要求設計出在狹小空間上可以分別接受不同頻段信號的天線。多層疊放天線是一種解決方案，而由于天線層之間干擾較多，因此設計多層圓極化微帶天線是一項困難的工作。本文設計了一款針對衛星導航接收機系統的雙層疊放天線，可以獨立接收[L1]和[L2]頻段信號。該天線上下兩層均采用單饋點切角結構，有良好的帶寬、增益和極化性能。

另外，針對天線的單饋點結構，本文對天線各項尺寸參數尤其是切角尺寸進行了詳細分析。天線邊長的大小可以影響到天線諧振點的位置，饋電點的位置主要影響輸入阻抗值；天線切角的尺寸大小主要會影響到天線極化軸比的性能，而對其輸入阻抗影響很小。這些分析的結論可以給天線設計者一些有用的建議和參考。

參考文獻

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