多頻衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線的設(shè)計(jì)與研究

丁敏 丁濤 魏亞男

摘要：“北斗”系列衛(wèi)星我國(guó)自主研制的導(dǎo)航系統(tǒng)，其主要的工作頻點(diǎn)為1.2GHZ、1.57GHZ和2.49GHZ，本文以倒F天線為基本模型，通過在貼片上加載縫隙設(shè)計(jì)出工作在以上三個(gè)頻點(diǎn)的天線。在此基礎(chǔ)上，將Mushroom型電磁帶隙（EBG）作為倒F天線的反射面，通過HFSS仿真比較兩種天線的性能，我們發(fā)現(xiàn)，后者在方向圖、S11參數(shù)等方面均得到了改善。

關(guān)鍵詞：三頻天線;倒F天線;Mushroom;EBG

1 引言

作為我國(guó)自主研制的導(dǎo)航系統(tǒng)，“北斗”系列衛(wèi)星主要的工作頻點(diǎn)為1.2GHZ、1.57GHZ、2.49GHZ。面對(duì)這些處于不同頻段的通信系統(tǒng)，需要采用不同的收發(fā)天線，這就為天線系統(tǒng)的集成與融合帶來(lái)了一定的困難，并且也會(huì)讓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本增加。因此，對(duì)多頻天線的設(shè)計(jì)研究具有積極的意義。

然而未來(lái)天線的發(fā)展方向是小型化、多頻段和寬頻帶，平面倒F天線（PIFA）具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，在近年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。我們還可以通過開槽加載、銷釘加載等方法實(shí)現(xiàn)多頻化。

Sievenpiper 提出了一種Mushroom 型光子晶體，該晶體結(jié)構(gòu)緊湊，并且制備也較為簡(jiǎn)單，同時(shí)還具備了頻率帶隙特性和相位反射特性[1]，其是一種非常優(yōu)越的人工電磁材料。在微帶貼片天線、微帶線、濾波器以及諧振器等微波領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用 [2-3]。

2 分析與設(shè)計(jì)

2.1 平面倒F天線設(shè)計(jì)分析

平面倒F天線（PIFA）的結(jié)構(gòu)如下圖1所示：

2.1 Mushroom型EBG特性分析

因?yàn)槠鋯卧Y(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，所以可以用等效的集總參數(shù)模型來(lái)描述。

單元結(jié)構(gòu)可以等效為并聯(lián)LC諧振電路。等效電容C主要來(lái)自于相鄰金屬貼片之間的縫隙邊緣電場(chǎng)，該電場(chǎng)是由于頂層金屬貼片上引入電流時(shí)，電荷在貼片的邊緣聚集使得金屬貼片之間產(chǎn)生了平行于表面的電壓所引起的。相鄰貼片之間的正負(fù)電荷要中和，因此會(huì)沿金屬貼片、導(dǎo)電過孔和金屬地面流動(dòng)形成電流，所激發(fā)的磁場(chǎng)用電感L表征。這樣，該并聯(lián)LC諧振電路的阻抗可以表示為：

其中，t為基板厚度，w0為貼片寬度，a為周期，g為縫隙寬度。本文的單過孔EBG結(jié)構(gòu)尺寸如下： w0=8mm，g=1.5mm，過孔半徑為r=0.7mm。

EBG結(jié)構(gòu)的反射相位能夠覆蓋從-180度到+180度。這個(gè)特性讓EBG具有相當(dāng)特殊的結(jié)構(gòu)。那么要解決的問題就是在什么頻段之下，EBG結(jié)構(gòu)可以用于天線的反射面。在文獻(xiàn)[4]中提出BEG反射相位在90±45度區(qū)間時(shí)適用于同時(shí)諧振在此頻段的天線。

將Mushroom型電磁帶隙（EBG）作為倒F天線的反射面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 仿真結(jié)果

3.1 PIFA仿真結(jié)果

頻率為1.21GHZ時(shí)，S11=-11.05dB，頻率為1.57GHZ時(shí)，S11=-15.95dB，頻率為2.5GHZ時(shí)，S11=-13.73dB，在各頻點(diǎn)均達(dá)到了很好的諧振效果。

3.2 將EBG作為反射面PIFA仿真結(jié)果

頻率為1.21GHZ時(shí)，S11=-15.21dB，頻率為1.57GHZ時(shí)，S11=-22.69dB，頻率為2.5GHZ時(shí)，S11=-26.23dB，均達(dá)到了很好的諧振效果。與未加EBG反射面的PIFA比起來(lái)，S11有了很大的改善。另外，降低了天線剖面，利于天線的小型化設(shè)計(jì)。

4. 結(jié)論

本文中給出了一種基于倒F天線三頻衛(wèi)星接收天線的設(shè)計(jì)方法，即在倒F天線的基礎(chǔ)上，通過在貼片上開槽的方法來(lái)增加頻點(diǎn)。設(shè)計(jì)出三頻天線后，對(duì)加了Mushroom型EBG反射面的PIFA進(jìn)行了仿真，從仿真結(jié)果可以看出，三個(gè)頻點(diǎn)的S11參數(shù)得到了極大的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]V. Radisic，Y. Qian，and T Itoh. Broadband power amplifier using dielectric photonic bandgap structure，IEEE Microwave and Guided Wave Lett.，vol.8，no.1，pp.13-14，Jan. 1998.

[2]IEEE Std 145-1983，IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas[S]. New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，1983.

[3]周朝棟，王元坤，楊恩耀. 天線與天波[M]. 西安：西安電子科技出版社，1999

[4]Fan Yang，Yahya Rahmat-Samii. Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications.[J]IEEE Transactions on antennas and propagation，October 2003，vol. 51，no. 10.