用于北斗終端系統介質埋藏天線的設計

倪國旗++劉芳++韓非凡

摘 要： 傳統的微帶貼片天線中的輻射貼片振子都采用矩形（方形）、圓形、三角形、Y形等形狀，一般使用單饋法加入微擾激勵圓極化波，這里描述的立體式介質埋藏微帶貼片八木天線中的輻射貼片振子不同于傳統的形狀，采用了梅花形輻射貼片振子，并在輻射貼片上開矩形槽，用單點饋電激勵圓極化波。仿真結果表明在北斗射頻信號[S]（2.491 GHz±10.23 MHz）的中心頻率上，該天線的最大增益為8.72 dB；將梅花形貼片改變成花瓣形貼片后的仿真天線增益增大到8.82 dB，軸比帶寬和[S11]阻抗帶寬變寬，為實物天線的制作提供了依據。

關鍵詞： 介質埋藏天線； 八木天線； 圓極化； 花瓣形貼片

中圖分類號： TN821?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0075?05

Design of dielectric embedded antenna applied in BeiDou terminal system

NI Guoqi1， 2， LIU Fang1， HAN Feifan1

（1. School of Information and Communication Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China；

2. The 2nd Department， Air Force Airborne Academy， Guilin 541003， China）

Abstract： The radiation patch vibrator in traditional radiation patch antenna adopted the shapes of rectangle （square）， round， triangle and the Y shape. The infinitesimal disturbance is added by using single?feedback method to stimulate the circularly?polarized wave. The described radiation patch vibrator in Yagi antenna of spatial dielectric embedded microstrip patch is different from the traditional shapes， which adopts the quincuncial shape， and a rectangular groove is dug on the patch. The circularly?polarized wave is stimulated by single?point feed. The simulation results show that the maximum gain of the antenna is 8.72 dB at the center frequency of BeiDou radio?frequency signal [S]（2.491 GHz±10.23 MHz）. The simulation gain of the antenna is increased to 8.82 dB by changing the quincuncial patch into the petaling patch， and the bandwidth of axial ratio and [S11] impedance becomes wider， which provides the basis for producting the actual antenna.

Keywords： dielectric embedded antenna； Yagi antenna； circular polarization； petaling patch

0 引 言

北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統[1?2]，北斗接收終端的天線一般采用圓極化的極化方式，這是由于圓極化的極化方式相比線極化具有抗干擾能力強等優勢。本文以[S]（2.491 GHz±10.23 MHz）頻段為例，借鑒微帶天線的圓極化技術，在輻射貼片的表面開槽，利用單饋法分離出兩個幅度相等、相位相差90°的簡并模，從而實現該天線的圓極化[3?4]。

介質埋藏微帶天線是將微帶天線的金屬貼片完全埋入介質中，金屬部分不與空氣接觸，從而增強天線的隱蔽性[5]。目前對介質埋藏天線的研究主要集中在埋藏形式與結構、如何增加天線的增益和帶寬等方面。文獻[6]論證介質埋藏天線的可行性，其通過將相同尺寸的微帶振子天線、貼片對稱振子天線和介質埋藏天線三種天線做了比較。這三種天線除了諧振頻率和增益相差較大外，其余的差別不明顯，說明介質埋藏貼片振子天線不僅具有與微帶振子天線相似的性能，還能縮短天線的長度。文獻[7]設計了一種新型的立體式介質埋藏微帶八木天線，其與平面式介質埋藏微帶八木天線相比，在增益、帶寬等方面更優。文獻[8]設計了一種新型的能拓寬阻抗帶寬的寬帶微帶天線，其貼片形狀為一個270°的圓形，然后在其上切去一個矩形槽，在合適的位置設置饋電點拓寬天線的帶寬。此天線的仿真和測量阻抗帶寬（駐波比小于2）約為450 MHz，相對帶寬約為44.9%，最大增益接近于9 dBi。本文采用立體式介質埋藏微帶八木天線結構，借鑒文獻[8]的新型貼片思想，結合微帶天線圓極化技術，設計了一種新型的梅花形輻射貼片振子式天線，并在其基礎上改進貼片形狀，從而使天線的仿真增益和帶寬達到設計要求。

1 天線結構設計與優化

1.1 天線結構設計

借鑒八木天線的結構形式，采用層疊的方式設計成立體式介質埋藏天線，天線的整體結構如圖1（a）所示，天線包含6個介質層（從底層依次往上分別為[h1，][h2，][h3，][h4，][h5，][h6]）、1個反射貼片振子、1個輻射貼片振子和3個引向貼片振子。反射貼片振子為正方形，正方形的邊長為[L1，]中間切去一個小圓。輻射貼片振子為梅花形，由中間的正方形外加直徑為正方形邊長的4個半圓組成，正方形的邊長為[L2，]由于需要輻射出圓極化波，在輻射貼片振子上開出一條矩形槽，其長度為[b，]寬度為[a，]饋電點位于輻射貼片的[x]軸上，如圖1（b）所示。饋電點在輻射貼片振子的[x]軸正方向上，饋電同軸線外徑與反射貼片相連接。3個引向貼片振子的形狀都為圓環，外徑為[r1，]內徑為[r2，]介質板的尺寸為[L×L。]

1.2 介質基板的選擇與設計

介質基板的選擇影響介質埋藏微帶天線的性能，所以選擇一種好的材料對天線的設計具有重要作用。在天線設計中廣泛使用的材料是FR?4和Rogers 5880系列的板材，但是FR?4的正切損耗值較大，天線的損耗大，增益不高；而使用Rogers 5880，雖然天線的正切損耗比較小，但是介電常數比較小，會造成介質埋藏天線的體積比較大。所以綜合考慮上述因素，采用Arlon AD 450，該材料的介電常數為4.5，正切損耗值為0.003，選用的厚度為0.762 mm。

1.3 各貼片振子設計與優化

介質埋藏天線是先將傳輸線上的導行波變換成在介質中傳播的電磁波，再由介質傳播到自由空間。因此，電磁波在介質中的波長為：

[λ=cf0εr=λ0εr] （1）

式中：[εr]是介質的相對介電常數。因此，天線的輻射貼片振子的尺寸與[λ]有關，介質的[εr]越大，則天線的輻射貼片振子的尺寸越小，這樣天線的整體尺寸也會減小，所以相對自由空間中的天線，介質埋藏天線可以減小天線的尺寸。根據介質埋藏微帶立體式八木天線的原理，利用式（1）計算出輻射貼片振子的尺寸[L3=λ2≈]28.6 mm，本文的輻射貼片采用正方形和半圓組合的形狀，根據等面積法，[L23=L22+πL222×4，]可得[L2≈]17.7 mm。

根據八木天線的原理，引向貼片的尺寸小于輻射貼片的尺寸，輻射貼片的尺寸小于反射貼片的尺寸[9?10]，反射貼片的邊長初值設置為[L1=]35 mm，其中間的小圓半徑設置為[r0=]2 mm，引向貼片采用圓環形貼片，其內徑初值設置為[r2=1] mm，外徑初值設置為[r1=6]mm。

為了便于實物的加工制作，介質層的厚度均設置為單層Arlon AD 450介質板厚度的整數倍，即[h1=h6]=7.62 mm，[h2]=3.81 mm，[h3=h4=h5=]15.24 mm。設置矩形槽的長度初值為[a=]13 mm，寬度初值[b=]3 mm，同軸饋電點的位置位于輻射貼片的[x]軸正方向上[（xc，0）=]（6 mm，0 mm）處，介質板的尺寸設置為[L×L=]40 mm×40 mm。

根據上述設置天線的各個尺寸大小，使用電磁仿真軟件HFSS 13進行仿真優化，優化后的天線尺寸如表1所示。

1.4 梅花形輻射貼片振子的改進設計

從圖1（b）的梅花形輻射貼片振子的形狀可以看出，梅花形貼片中相鄰兩個半圓之間的過渡太尖銳，為了過渡平緩，在中間增加一個扇形的結構，改進后的花瓣形輻射貼片振子結構如圖2所示，天線的其他結構及其尺寸都不變。

對改進后的天線進行仿真優化，優化后的天線尺寸如表2所示。

1.5 天線饋電設計

由于圓極化電磁波可以入射對稱目標，因此將其應用到移動通信和GPS領域能夠抑制雨霧干擾和抵抗多徑反射[11]。所以，我國北斗衛星導航系統內所有衛星發射的信號都是圓極化電磁波。因此，在設計介質埋藏天線的饋電方式時也采用圓極化的極化方式。

目前圓極化微帶天線主要由諧振式和行波式實現[12]，諧振式可分為單饋法、多饋法和多元法。由于單饋法具有結構簡單、無需外加相移網絡和功分器等優點，因此本文采用單點同軸饋電，基于腔模理論，通過引入幾何微擾，破壞饋電平衡性，使得簡并模分離，產生兩個輻射正交極化的簡并模[13]，從而實現圓極化。對于單點饋電的天線實現圓極化的方法也有很多種，例如細微改變天線形狀（切角，近似方、圓形等），表面開槽，外加相移網絡等[14]。

分離單元使饋電場形成兩個空間正交簡并模的諧振頻率發生分離， 分離的大小取決于[ΔSS]。為實現圓極化， 這兩個模必須達到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通過適當選擇饋電位置實現。產生90°相移的方法有兩種：一種是設置合適的饋電點位置，另一種是設置合適的分離單元尺寸。

本文以一種表面開槽的方法實現圓極化，即在梅花形微帶輻射貼片振子上切去一個矩形槽，如圖1（b）所示。這一部分的面積為[ΔS=a×b，]其中[b]為矩形槽的長度，[a]為矩形槽的寬度。[Q]與[ΔSS]之間的關系式[15]為：

[（Q2-1）Q2（2Q2-1）（M2+N2）=MN1+（2Q2-1）MNM2+N2] （2）

在此方程中，[M=（1+mΔSS），N=（1+nΔSS），]本文設計的天線饋電點位于[x]軸正方向上，可將其歸為A類。A類實現圓極化的條件是：

[ΔSS=12Q] （3）

式中：[Q]是貼片的品質因素，貼片面積為[S=（1+π）L22]。

經過理論推導可知，只要簡并分離單元滿足式（3），即可實現對此種貼片振子饋電的圓極化。

2 仿真實驗與實物測試結果分析

2.1 梅花形輻射貼片振子式天線仿真結果分析

梅花形輻射貼片振子式天線仿真結果如圖3所示。

從圖3（a）可以看出，小于-10 dB的頻帶范圍為2.333～2.738 GHz，天線的相對帶寬約為16.26%。從圖3（b）可以看出，2.366～2.557 GHz頻段范圍內的軸比小于3 dB，軸比帶寬為191 MHz，滿足北斗天線20 MHz軸比帶寬的要求。天線在2.491 GHz處的方向圖如圖3（c）所示，E面半功率波束寬度為66°，H面半功率波束寬度為66°。從圖3（d）可以看出，天線在2.491 GHz頻點處，在最大增益方向上右旋圓增益比左旋圓增益高31.774 dB，所以天線的極化方式為右旋圓極化方式。天線單元在2.491 GHz處的仿真增益約為8.72 dB。

從上述仿真結果分析可以看出，本文設計的介質埋藏微帶天線能夠滿足北斗接收終端天線的各項性能指標要求。

2.2 花瓣形輻射貼片振子式天線仿真結果分析

花瓣形輻射貼片振子式天線仿真結果如圖4所示。

從圖4（a）可以看出，具有花瓣形輻射貼片振子天線的[S11]曲線小于-10 dB的頻率范圍為2.337～2.75 GHz，相對帶寬約為16.58%。從圖4（b）可以看出，E面波束寬度和H面波束寬度均為65°。從圖4（c）可以看出，在最大輻射方向上右旋圓增益比左旋圓增益大23.8 dB，所以極化方式為右旋圓極化方式。從圖4（d） 可以看出，天線在2.373～2.571 GHz頻帶范圍內軸比小于3 dB，軸比帶寬為198 MHz。天線單元在2.491 GHz頻點上的最大增益為8.82 dB。

以上兩種輻射貼片振子式天線的性能比較如表3所示。

通過上述參數的比較，可以看出：花瓣形輻射貼片振子式天線的各項性能略優于梅花形輻射貼片振子式天線。出現此結果的主要原因是：在梅花形貼片振子的相鄰半圓之間加入扇形貼片，扇形貼片相當于在其梅花形貼片振子旁邊增加了4個寄生貼片，而增加寄生貼片可增加天線的增益，拓寬天線的帶寬，因此前者的增益更高，帶寬更寬。

2.3 花瓣形輻射貼片振子式天線實物測試結果分析

將花瓣形輻射貼片振子式天線制作成實物，如圖5所示，并使用矢量網絡分析儀測試其[S11]參數和駐波比，其測試結果如圖6所示。

從圖6（a）可以看出，[S11]曲線小于-10 dB的頻率范圍在2.35～2.62 GHz內，相對帶寬約為10.8%，比仿真的帶寬小。

另外，使用比較法測試了天線的增益，天線的最大增益為4.8 dB，天線增益比較低的原因有三個：

（1） 加工的誤差。天線加工時，蝕刻的天線貼片振子的尺寸（反射貼片振子，輻射貼片振子和引向貼片振子的長度和寬度）對整個天線的增益都有影響，另外基片厚度粘接的不均勻也影響天線的增益。

（2） 手工粘接制作時，3個引向貼片振子之間沒有對齊，導致天線的增益降低較多。如圖7所示的[N]元八木天線，振子1為反射器，振子2為有源振子，振子3到[N]為引向器，[N]個振子的長度分別為[2l1，][2l2，][…，][2lN，]其余振子距離反射振子的長度分別為[d2，][d3，][…，][dN，]并假設振子的電流按正弦分布，則可得到各振子的波腹電流為：

[IMi=IMiejβi] （4）

式中：[IMi]為第[i]個振子上波腹電流的幅度；[βi]為第[i]個振子上的電流與第一個振子上電流的相位差。

根據天線陣理論，可得八木天線的方向函數[16]為：

[f（θ，?）=f1（θ）?fa（θ，?）] （5）

式中：[f1（θ）]為輻射元方向函數；[fa（θ，?）]為陣因子。

由于似半波對稱振子的方向圖函數基本相同，因此假設各單元的方向圖函數是相同的，輻射元方向圖為：

[f1（θ）=cos（kl2cosθ）-coskl2sinθ] （6）

陣因子由各單元間距和電流比決定，其一般表達式為：

[fa（θ，?）=i=1NIMiIM1ejψi] （7）

式中[ψi=（βi-β1）+k（di-d2）sinθ?sin?。]

根據對上述八木天線的分析，設計的立體式微帶八木天線的最大輻射方向是在（[θ=0，?=0]）方向上。其中的一個引向貼片振子沒有與其他引向貼片振子對齊， 會影響該振子的相位差，從而影響陣因子，繼而影響天線的增益。

（3） 饋電方式選擇不當。本文的同軸饋電焊接方法為：將同軸線內芯探針與輻射貼片饋電點焊接，同軸線的屏蔽層與設計的天線的反射貼片焊接起來，這樣就容易造成同軸電纜的芯線和屏蔽網兩者的電流失去平衡，使饋線的屏蔽網也成了天線輻射器的一部分，惡化了天線的參數，使天線的增益降低。在后續的天線設計中，使用巴倫結構的饋電形式解決，采用[14]波長扼流套阻止同軸線外壁電流回流。

3 結 語

本文根據八木天線理論和天線饋電圓極化技術，設計出梅花形輻射貼片振子式天線的各個貼片尺寸初值，利用HFSS軟件進行建模仿真和優化，優化后的天線性能符合北斗接收終端的天線設計要求。為了使天線性能更優，對輻射貼片振子的形狀進行了改進設計，通過對這兩種天線的性能結果比較表明，經過改進后的天線增益較高，相對帶寬較大，軸比帶寬較大，更符合設計要求。該天線可以作為一個陣元，為后續需要更大增益的中、大型天線陣設計奠定基礎。

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