應用于GNSS終端的寬帶扁平狀雙頻圓極化微帶天線

林 飛，李曉鵬，李成鋼，蔡惠萍，陳澍鍇

（1.廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東 廣州 511400；2.廣州市中海達測繪儀器有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引 言

隨著全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）應用服務領域的廣泛深入，GNSS系統將與其他技術和系統進行跨界融合，這將使GNSS天線在設備內部的安裝空間越來越小。微帶天線因具有體積小、剖面低、質量輕、制作成本低、易于集成和加工、饋電方式靈活以及容易實現圓極化等優點，在高精度導航定位領域得到了廣泛應用[1]。目前，GNSS雙頻圓極化天線通過使用高介電電介質基板加載、短路加載以及電抗加載等技術實現了小型化設計，但這些天線的工作帶寬較窄，存在不能完全覆蓋GNSS全頻段的問題[2-6]。當前國內外天線研究者通過采用較厚的介質基板，在一定程度上拓展了天線工作帶寬，但隨著天線介質基板厚度的增加容易產生嚴重的表面波，干擾天線并降低天線的輻射效率[7]。文獻[8]通過加載寄生單元產生一個新的諧振工作頻點，通過多諧振拓寬天線工作帶寬，但使得天線尺寸較大。本文設計了一種應用于GNSS終端的新型寬帶扁平狀雙頻圓極化微帶天線，通過在天線單元外圍設置短路振子，可有效提升天線工作帶寬、輻射增益以及圓極化特性等性能指標，并且在一定程度內進一步縮小天線尺寸，實現天線的緊湊式輕量化設計。

1 理論分析和結構設計

1.1 理論分析

天線的對稱性是影響天線相位中心穩定性的重要因素，因此本文以圓形微帶天線為基礎進行設計[9]。圓形貼片天線大小的理論公式如下：

式中，r為圓形貼片半徑；fr為工作頻率；εr為相對介電常數；h為基板厚度。

天線饋電點的位置可由公式粗略估算，然后通過軟件仿真進行優化設計[10]。給出輸入電阻與饋點位置的關系如下：

式中，R為電阻；a為天線饋點距離中心點位置；h0為天線與接地板的距離；E0為平均電場強度；P為輻射功率。

1.2 結構設計

天線結構俯視圖如圖1所示，該天線采用層疊結構，由上、下兩層貼片構成，上層圓形貼片為高頻天線輻射單元，下層淺盤形貼片為低頻天線輻射單元。為了方便調整實物樣品的諧振頻率，高低頻天線輻射單元上分別增加了對稱的矩形調諧枝節。為了提高天線的輻射增益和工作帶寬，設置了環繞天線外邊緣沿天線周向均勻分布的接地短路金屬柱，即短路加載陣子。同時，為了獲得良好的圓極化特性，確保天線的相位中心更加穩定可靠，高低頻天線單元分別采用均勻對稱分布的4饋點饋電。4個饋電點的輸入信號幅值相等，相鄰饋點間相位差值為90°。天線的介質基板由低密度低損耗高性能的PPO材料制作而成，本樣機采用材料的介電常數為4，損耗正切角為0.001，上層貼片半徑為22.5 mm，下層貼片半徑為28.5 mm，上層基片尺寸為50 mm×50 mm×4 mm，下層基片尺寸為75 mm×75 mm×8 mm。

圖1 天線結構俯視圖

2 仿真與實測分析

本文采用專業電磁仿真軟件對天線模型進行仿真優化，并使用優化后的結構參數將天線制作實物樣品，如圖2所示。

圖2 天線實物圖

圖3為實測的駐波比隨頻率變化曲線，在整個測試頻段1～1.8 GHz內，天線的駐波比均小于2，說明該天線具有良好的阻抗匹配特性。圖4所示為天線軸比隨頻率變化曲線，在整個測試頻段，天線的軸比均小于1，說明天線的圓極化性能好。

圖3 天線實測駐波比隨頻率變化曲線

圖4 天線仿真與實測的軸比隨頻率變化曲線

圖5為天線仿真與實測的增益隨頻率變化的曲線。從圖中可知，天線實測與仿真的增益曲線基本吻合。在低頻段1.166～1.279 GHz內，天線仿真增益均大于1.4 dBi，最大增益為4.32 dBi，天線實測增益均大于1.8 dBi，最大增益為4.82 dBi。在高頻段1.525～1.607 GHz內，天線仿真增益均大于2.2 dBi，最大增益為4.97 dBi，天線實測增益均大于3.4 dBi，最大增益達到5.38 dBi。由此可見，天線具有較高的輻射增益和較寬的工作帶寬。

圖5 天線仿真與實測的增益隨頻率變化

圖6為天線在1.227 GHz和1.575 GHz仿真和實測的軸比隨θ角度變化曲線，可以看出，天線仿真與實測的曲線基本吻合。在θ=0°,AR均低于3 dB，但天線實測軸略大于仿真軸比，這是由實測誤差造成的。在1.227 GHz，天線仿真的3 dB軸比波束帶寬約為130°，天線實測的3 dB軸比波束帶寬約為180°，在1.575 GHz，天線仿真的3 dB軸比波束帶寬約為160°，天線實測的3 dB軸比波束帶寬約為200°。在天線高頻段和低頻段，實測天線3 dB軸比波束帶寬均大于仿真的3 dB軸比波束帶寬，可見該天線具有較好的圓極化特性，接收信號的方位角度更寬，使得天線低仰角衛星信號的接收性能和抗多徑性能更加優異。

圖6 低頻天線單元和高頻天線單元仿真與實測軸比曲線

圖7為天線在1.227 GHz和1.575 GHz仿真和實測的2D增益方向圖。由圖可看出，天線實測與仿真增益曲線比較吻合。在1.227 GHz，天線天頂角（θ=0°）的仿真與實測右旋增益值分別為4.07 dBi和4.75 dBi，低仰角（θ=90°）的仿真與實測右旋增益值分別為-3.05 dBi和-2.09 dBi；在1.575 GHz，天線天頂角（θ=0°）的仿真與實測右旋增益值分別為4.82 dBi和4.77 dBi，低仰角（θ=90°）的仿真與實測右旋增益值分別為-3.86 dBi和-3.17 dBi。仿真與實測結果可以看出，天線具有較高的低仰角右旋增益值，進而可有效保障天線配套接收機終端的低仰角搜星性能更加優異。

圖7 低頻天線單元和高頻天線單元仿真與實測增益

3 結 論

本文設計了一款應用于GNSS終端的寬帶扁平狀雙頻圓極化微帶天線，天線采用雙層微帶貼片結構和4饋點饋電方式，保證了天線相位中心穩定性和圓極化特性，提高了配套終端的測量精度。通過在天線輻射單元外圍邊緣沿周向設置接地短路金屬柱，大幅提升了天線的輻射增益和工作帶寬。實測結果顯示，天線在高低頻雙頻段內均擁有較高的輻射增益以及較寬的增益帶寬和波束帶寬，滿足覆蓋4大衛星導航系統的全部衛星工作頻點。因此，本文設計天線能夠較好地配套應用于多系統衛星導航定位和高精度測量等領域。