一種短路環狀疊層寬帶GNSS天線設計

2016-10-18 05:35:44唐洪軍,鄭先寶,張書文

中國科技信息 2016年18期

一種短路環狀疊層寬帶GNSS天線設計

多模衛星導航系統（GNSS）包括GPS（美國），Compass（中國），GLONASS （俄羅斯），還有Galileo（歐洲）。GNSS天線要求結構緊湊，質量輕，低損耗，以便用于小衛星，空中飛機，船舶，還有地面上的移動終端。

在文獻中已經提出了很多解決方案來設計雙頻段圓極化天線。文獻中，為了獲得GPS L1-L2頻段的天線，作者使用簡單饋電的切角貼片。然而，這種方法的缺點是軸比（AR）帶寬較窄。文獻中，作者采用了電容饋電的雙層方形貼片和超材料線的功分器，實現了寬帶圓極化天線，但天線太厚。

本文計了一種可用于多模衛星導航系統（GNSS）的短路環狀層疊圓極化天線，工作帶寬為1100MHz-1600MHz，可以同時工作在四種導航系統。本文設計的天線主要有以下特點：（1）一個180°寬帶移相器，兩個90°寬帶移相器和L形饋電探針作為天線的饋電網絡，可以獲得較寬的阻抗帶寬與軸比帶寬。（2）本文采用雙層饋電網絡結構，這樣可以有效地減小饋電網絡尺寸。（3）次級饋電網絡沿著對角線排布，可以有效地利用有限空間。（4）短路環狀層疊貼片作為輻射貼片可以獲得穩定的增益帶寬、寬波束以及寬角軸比特性。

天線設計

天線結構示意圖如圖1所示，天線結構主要由5層。第一層介質的頂部為上層環狀貼片，底部為下層環狀貼片，上層貼片與下層貼片通過金屬臂連接。第二層介質隔離開下層貼片與L形耦合探針。四個L形探針起到激勵環形貼片和阻抗變換的作用。L形探針包括四個矩形金屬條帶和四個金屬柱，矩形金屬條帶印刷在第三層介質的頂部，金屬柱穿過第三層介質和90°移相器連接在一起。第四層與第五層為饋電網絡層。從圖2可以看出，饋電網絡在相鄰的端口能夠實現90°的相位差。圖3為饋電網絡仿真的回波損耗，幅度響應與相鄰端口的相位差曲線。從圖中可以看出，在1.1GHz-1.6GHz時，幅度起伏在0.5dB以內，相位起伏在±4°以內。網絡性能的優劣直接影響到天線圓極化性能的好壞。

天線的關鍵尺寸如下： L=70mm， εr=4.4，tanσ=0.02，d1=52mm，d2=27mm，d3=10mm，h1=3mm，h2=3mm，h3=14.5mm，h4=4mm，h5=4mm。

圖1　天線結構圖

圖2　饋電網絡結構

試驗測試結果

圖4為天線的實物圖，天線的整體尺寸為70mm×70mm×28.5mm。圖5為仿真與實測駐波對比曲線，從圖中可以看出，實測駐波小于2的相對帶寬為50.8%，從1.1GHz到1.85GHz。圖6為在最大輻射方向仿真與實測軸比對比曲線，3dB軸比帶寬為45.5%，從1.07GHz到1.7GHz。天線的阻抗與軸比帶寬能夠覆蓋整個GNSS頻段。天線在微波暗室測量方向圖特性。圖7為在1.4GHz實測XOZ與YOZ面軸比方向圖曲線。從圖中可以看出， XOZ平面AR<5dB 的角度為-115°-90°，YOZ平面AR<5dB 的角度為-45°-110°。圖8 為1.4GHz實測方向圖曲線，在仰角>10°時增益都大于-5dBi。圖9為天線實測增益曲線，在頻帶范圍內，天線的右旋增益都在2.5dBi以上。