L雙頻與GPS集成天線設計*

陸文春 鄭 成 聶時振 曹 一 程 晗

(中船重工第七二二研究所 武漢 430205)

L雙頻與GPS集成天線設計*

陸文春 鄭 成 聶時振 曹 一 程 晗

(中船重工第七二二研究所 武漢 430205)

論文設計了一種將L頻段通信用雙頻天線與GPS天線集成的小型化天線。通過在單頻工作L天線輻射貼片下插入耦合貼片的方式實現了L天線雙頻工作,通過恰當地選介質板材料與天線結構參數,使得L天線在雙頻段具有優良的阻抗特性。將GPS天線的輻射貼片作為L天線的反射地板,降低了天線剖面。設計了天線饋電網絡,保證了L天線與GPS天線具有良好的圓極化性能。

天線; 微帶天線; 圓極化; GPS

Class Number TN820

1 引言

在現代衛星通信與定位導航應用中,具有寬波束圓極化天線得到了廣泛的應用。圓極化天線通常有四臂螺旋、十字交叉振子、天線陣等多種形式[1～4]。相較其它形式天線,微帶天線具有剖面低、體積小、重量輕等諸多優點而被廣泛研究和應用。本文研究的L雙頻天線要求同時用于接收與發射信號,上行與下行頻率不同,極化方式為左旋圓極化；GPS天線為右旋圓極化天線。GPS天線與L雙頻天線須分別饋電,同時要進行集成設計。采用寬帶天線形式可實現L天線雙頻工作[5～10],但通常會增加天線厚度；采用插入耦合貼片的方式也可實現雙頻工作,且天線具有剖面低的特點。天線實現圓極化通常有單饋天線加切角或開槽[11]的形式以及雙饋的形式,雙饋形式能在更寬的頻帶內保證天線圓極化性能。本文設計的微帶集成天線形式,綜合使用了插入耦合貼片和雙饋技術,使天線具有優良的阻抗匹配特性和圓極化性能。

2 天線結構

本文設計的天線由輻射貼片與饋電網絡兩部分組成,輻射貼片的結構如圖1所示,三個帶短枝節的圓片為輻射貼片,引入枝節便于在加工完天線后調整天線諧振頻率。最頂部輻射貼片對應于L天線的高頻點,記為fH,位于其下方緊鄰的耦合貼片使L天線在低頻段產生一個諧振點,記為fL,通過恰當選擇介質材料、貼片大小以及兩貼片間距調整天線在兩個頻點的阻抗匹配,最下面的輻射貼片對應著GPS天線。

為實現天線良好圓極化性能,本文設計的天線采用了雙饋點饋電[12],兩個饋電端接收到的信號幅度相等而相位相差90°。圖2為設計的饋電網絡結構,其左下部分為GPS天線饋電網絡,右上部為L天線饋電網絡。

3 天線測試

按以上結構加工了天線,下面分別對天線和饋電網絡進行測試,然后將其組裝后對方向圖進行了測試。由于加工和仿真存在誤差,天線的諧振頻率有微小偏移,但并不影響分析其帶寬與方向圖等特性,所以未對加工好的天線進行諧振頻率調試,下面是測試結果。

圖3給出了天線的駐波比,從該圖可以看出,L天線實現了雙頻諧振,同時在兩個頻點具有很小的駐波比,GPS天線也具有較小的駐波比,駐波比小于2.0的頻帶寬度約為30MHz。

圖4給出了L天線饋電網絡的幅度與相位特性,從該圖可以看出L天線饋電網絡插入損耗約為0.3dB,兩輸出端口間相位差約為95°左右,可保證天線圓極化性能良好。

圖5給出了GPS天線饋電網絡的幅度與相位特性,從該圖可以看出GPS天線饋電網絡插入損耗約為0.1dB,兩輸出端口間相位差約為85°左右,可保證天線圓極化性能良好。

將天線與饋電網絡組裝后對天線方向圖進行了測試,在測試中經與標準天線對比接收電平,計算出L天線與GPS天線增益均為4.0dB左右。圖6給出了天線方向圖測試結果, 圖中還給出了增益大于0dB波束寬度。從圖中可以看出L天線增益大于0dB波束寬度約為122°,能滿足使用需求。GPS天線增益大于0dB波束寬度約為134°,適合作為導航定位用天線。

4 結語

本文提出了一種緊湊的微帶集成天線。該天線通過加入耦合貼片的形式實現了L天線雙頻工作。設計了天線饋電網絡,保證了L天線與GPS天線具有良好的圓極化性能,同時天線具有易調試、結構簡單等優點。實測表明天線具有較寬的增益大于0dB波束寬度,適合應用于衛星通信與導航定位。

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Design of Integrated Dual-band L Antenna and GPS Antenna

LU Wenchun ZHENG Cheng NIE Shizhen CAO Yi CHENG Han

(722 Research Institute, CSIC, Wuhan 430205)

An compact integrated antenna is presented in this paper. The antenna contains a dual-band L antenna and a GPS antenna. By inserting a coupled patch to the original L antenna which works in single band, a dual-band L antenna is obtained. This dual-band L antenna has good impedance performance if materials and structure are selected carefully. The radiation patch of GPS antenna is used as the ground of L antenna, thus the height of integrated antenna is reduced. In addition, feed-in network is designed for this antenna to guarantee good circular-polarization performance of it.

antenna, patch antenna, circular-polarization, GPS

2016年10月17日,

2016年11月27日

陸文春,男,碩士,工程師,研究方向:計算電磁學與天線設計。鄭成,男,碩士,工程師,研究方向:天線結構設計。聶時振,男,碩士,工程師,研究方向:天線結構設計。曹一,男,碩士,工程師,研究方向:天線結構設計。程晗,男,工程師,研究方向:天線結構設計。

TN820

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.015