短接貼片加載的雙頻圓極化衛星導航天線

摘" 要： 為了降低雙頻圓極化天線設計的復雜性和成本，文中介紹了一種用于雙頻全球定位系統（GPS）的緊湊型雙耦合短接貼片加載的貼片天線。該天線采用短接貼片加載技術，使得其整體尺寸僅為42 mm×42 mm×9 mm，同時利用超低成本的PPO塑料替代高介電常數的基板，從而實現了成本的降低。提出的緊湊型雙耦合短接貼片加載技術使得該天線能夠在L1/L2 GPS頻段共振。在L1/L2 GPS頻段上，該天線在具有大地平面的情況下表現出良好的性能。圓極化輻射增益在L2頻段達到3.12 dBic，在L1頻段達到4.08 dBic，顯示出較高的增益性能。同時，在這兩個頻段上，該天線的3 dB增益帶寬分別為31 MHz和43 MHz。因此，所提出的天線不僅具有低成本、雙頻、緊湊的特點，而且在L1/L2 GPS頻段具有良好的性能表現，是一種理想的貼片天線選擇。這種天線的設計和制造對于GPS定位系統的應用具有重要意義，可以滿足對于低成本、高性能的天線需求。

關鍵詞： 圓極化； GPS； 微帶天線； 雙頻； 低成本； 短路加載

中圖分類號： TN82?34" " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）17?0019?05

Dual?band circularly polarized satellite navigation antenna with shorted patch loading

LIU Yonghua1， LIN Fumin1， ZHANG Huafu2

（1. School of Physics and Optoelectronic Engineering， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China;

2. Guangzhou Hi?Target Navigation Tech Co.， Ltd.， Guangzhou 511400， China）

Abstract： A compact patch antenna with dual?coupled shorted patch loading for the dual?band global positioning system （GPS） is introduced to reduce the complexity and cost of the design of dual?band circularly polarized antenna. The shorted patch loading technique is employed in the antenna， so the overall dimensions of the antenna is only 42 mm×42 mm×9 mm， and the ultra?low?cost PPO plastic is utilized instead of the substrates with high dielectric constants， so as to achieve the cost reduction. The proposed compact dual?coupled shorted patch loading technique enables the antenna to resonate at the L1/L2 GPS frequency bands. At these bands， the antenna demonstrates good performance in the presence of a ground plane. Its circularly polarized radiation gains reach 3.12 dBic at the L2 band and 4.08 dBic at the L1 band， which indicates high gain performance. Additionally， the 3 dB gain bandwidths of the antenna at the two frequency bands are 31 MHz and 43 MHz， respectively. Therefore， the proposed antenna not only possesses the characteristics of low cost， dual?band and compactness， but also exhibits good performance at the L1/L2 GPS frequency bands， so it is an ideal patch antenna. The design and fabrication of the antenna are of great significance for the GPS application， and can meet the antenna demands of low cost and high performance.

Keywords： circular polarization; GPS; microstrip antenna; dual band; low cost; shorted loading

0" 引" 言

隨著無線通信系統的快速發展，雙頻或多頻天線已成為無線通信系統最重要的組成部件之一， 引起了人們的廣泛關注[1?6]。在現代通信領域，天線技術已經取得顯著進展。在眾多天線類型中，圓極化天線的設計與應用顯得日益重要。其重要性主要源于其獨特的能力，即能夠接收來自各種極化方向的電磁波，同時其發射的圓極化波也能夠被其他類型的天線有效接收。此外，圓極化天線在抵抗雨霧等干擾因素以及減少多徑反射方面展現出卓越的性能。因此，在需要實現遠距離傳輸、應對復雜環境或滿足高精度要求的應用場景中，如衛星導航、移動通信以及軍事通信等領域，圓極化天線往往成為首選的天線類型。此外，微帶天線憑借其輕質、低剖面以及易于集成的顯著優勢，在實際應用中呈現出迅猛的發展態勢。如今，它已經成為無線電系統中備受青睞的天線類型之一，廣泛被應用于各種場景之中[7]。鑒于這些優勢和市場需求，圓極化天線的研究與設計成為了通信領域的熱點。近年來，隨著多模衛星組合導航技術的蓬勃發展，衛星接收天線因其能夠同時接收多頻段信號的特性而備受矚目。這些應用對天線性能提出了更高的要求，尤其是在多頻段圓極化工作方面。實現雙頻圓極化工作頻段的方法多種多樣，主要可歸納為兩大類：單層結構實現雙頻和多層結構實現雙頻。對于單層結構實現雙頻，主要是通過在貼片上開槽或加載電容、電阻等方式，改變貼片上場的分布，進而獲得雙諧振的工作模式。而多層結構實現雙頻，則可以選擇使用相同或不同介電常數的介質基板，并通過設計不同貼片來實現不同的諧振性能，從而達到雙頻圓極化工作的目的[8?9]。進入新千年，雙頻技術的實現方式取得了重大突破，尤其是通過縫隙天線實現的雙頻技術。舉例來說，十字縫隙輻射的耦合微帶天線便是一種典型代表，它能夠同時覆蓋GPS的L1和L2頻段，有效提升了天線的多頻工作能力。然而，這種設計也存在一定的局限性，即需要構建一個復雜的饋電網絡來生成四路相位相差90°的信號，這無疑增加了系統的復雜性和成本[10]。

目前國內外在近似尺寸的GNSS雙頻天線有如下的研究[11?13]，文獻[11]提出了一種基于空氣介質運用雙短路探針來激發雙頻信號的貼片天線，該設計采用空氣介質，無需使用昂貴的介質基板，很好地降低了成本，但是空氣介質尺寸無法進一步壓縮。文獻[12]提出了一種基于介電常數為2.65的F4B板材，運用雙短路探針來激發雙頻信號的貼片天線，該設計尺寸僅有28 mm×28 mm×13 mm，但由于使用了F4B板材，盡管在射頻板材中算是價格親民的一種，但由于厚度高達13 mm，造價仍高昂。文獻[13]提出了一種寬帶的衛星導航天線，該天線運用了與本文類似的側面加載的方式，加上雙層天線的設計，使得可用頻帶比較寬，能覆蓋1.11～1.95 GHz的頻段，但是尺寸達到了60 mm×60 mm×36.6 mm，剖面過高，難以運用到車載等用途。

本文設計了一種利用雙耦合短路加載貼片來實現雙頻雙圓極化的平面天線，該天線通過探針直接饋電到正方形貼片，再在正方形貼片的周圍分別旋轉對稱地放置了4組雙耦合短路貼片結構，通過正方形貼片與雙耦合電路之間的耦合與互耦產生高低兩種頻段的諧振頻點。通過改變耦合短路貼片結構的尺寸來調整諧振頻點的偏移，從而達到精準產生L1與L2兩個用于GPS衛星導航的頻段。

1" 雙頻圓極化天線的設計

該雙頻段印刷天線的設計思路如下：

1） 通過受限制的空間大小確定偶極子的尺寸，由于該天線在設計之初就規定了整體尺寸為42 mm×42 mm×9 mm（[λ5.8×λ5.8×λ27]，[λ]是L2頻段中心頻率1.227 GHz的波長），為了給短路加載留出空間，由此確定此天線的偶極子是邊長[Lp]為21 mm的正方形。而通過調整饋電結構可以改善天線阻抗匹配特性，該天線主要是通過調整饋電探針的相對位置來調節阻抗匹配。

2） 在偶極子附近設置雙耦合短路貼片加載。當耦合短路貼片加載貼近從正方形貼片四邊中心延伸出來的四條臂時，會引入由該短路貼片的尺寸決定的諧振頻點。通過調節短路貼片的橫縱向長度（Nl1～Nl5），可以改變引入諧振點的位置。為了實現雙頻，需要在該短路貼片旁邊再引入一組耦合短路貼片，通過調節短路貼片的橫縱向長度（Nw1～Nw5），可以改變引入諧振點的位置。在此天線中，將新的諧振頻點設置在1.227 GHz與1.575 GHz頻點處，實現了L1與L2雙頻覆蓋，天線結構如圖1所示。

天線用的介質基板是相對介電常數為3.6、厚度為9 mm的PPO塑料（聚苯醚）。該材質成本超低，天線成本僅十幾塊，且具有可定制化尺寸與形狀、可選相對介電常數范圍大的優點。

該天線主要由印刷偶極子、饋電探針、雙耦合短路貼片共同組成。所用饋電探針半徑[r1]為0.5 mm，特性阻抗為50 Ω。從圖1c）的正等軸測圖可看出該天線的總體結構由位于介質基板上層中心的正方形貼片，以及橢圓圈出部分結構繞[z]軸分別呈90°、180°和270°旋轉對稱得到四組一樣的雙耦合短路貼片結構組成。

利用HFSS仿真軟件建立天線模型，可以看到天線表面的電流強度分布情況。如圖2所示，電流從饋針處出發，通過正方形貼片四邊中間伸出的四條臂，在如圖1c）中的C1結構引起耦合電流，再與如圖1c）中的C2結構引起耦合電流，其中當電流頻率為L1頻段時，C1結構的電流強度明顯最強，C2結構的電流強度與其他部位無明顯區別；當電流頻率為L2頻段時，C1結構與C2結構均有顯著強于其他部位的電流強度。由此可見，天線的C1結構對于L1頻段的信號產生具有決定性影響，C1結構與C2結構共同決定了L2頻段的信號產生。

在通過HFSS仿真時，分別調整C1結構與C2結構的橫向與縱向尺寸，可以有效調節工作頻率的升高和下降，通過一系列的仿真與參數優化，最終得到最佳的天線尺寸參數，如表1所示。其中，對天線的頻率影響最大的是C1結構的Nl6和Ml4的長度，圖3給出了兩張分別調整Nl6與Ml4的長度時的[S11]曲線，可以看出：當Nl6lt;6.5 mm時，L1與L2的頻段都有向高頻頻偏的趨勢，且回波損耗也有變差的趨勢，即參數Nl6的長度影響天線兩個頻段的工作頻率；至于Ml4，從圖3b）中可以看出，該長度僅影響高頻即L1的頻率偏移，當Ml4長度越大，高頻的偏移就會越大，而低頻幾乎不受影響。根據C1與C2結構的這種特性，可以輕松調節出最適合的Nl6與Ml4的長度，以達到精準控制雙頻天線工作頻率的目的。

2" 制作與測量

根據仿真優化的參數，制作出天線實物，如圖4所示。為方便實現簡單的結構，本天線使用了一個移相器來實現90°的相位差，相同的饋電通過移相器實現了雙探針共饋，從而實現圓極化性能。

用矢量網絡分析儀對該天線的[S]參數進行測量，并將實測和仿真結果進行了對比，如圖5所示。在L1頻段中，回波損耗（[S11]）小于-10 dB的帶寬為20.7 MHz，在L2頻段中，回波損耗小于-10 dB的帶寬為12.5 MHz，與仿真結果比較接近，符合該尺寸天線工作頻率對回波損耗的要求。

在微波暗室利用天線測試系統對天線的軸比進行測量，得到如圖6所示的仿真與實測的[x?z]平面L1與L2頻段軸比隨[θ]變化的對比圖。從圖6中可看出，實測得到在1.227 GHz和1.575 GHz頻點軸比小于3 dB的帶寬分別為120°和50°，由于天線和地平面的幾何形狀是方形的，在[y?z]平面上測得的輻射模式與在[x?z]平面上測得的輻射模式幾乎完全相同，因此不一一列出。由圖6可以看出，實測結果在1.575 GHz頻點時比仿真結果稍差，在1.227 GHz頻點時比仿真結果更好，主要原因在于C1結構同時激發的諧振頻率更多，在實物微調時所作出的影響過大，很難調整出最適合的參數，而僅負責激發1.227 GHz頻點的C2結構則更容易在實物調整時尋找到合適的參數。

圖7為天線的仿真與實測的增益隨頻率變化的曲線對比圖。可以看出，實測的天線增益普遍比仿真的增益低1～2 dB，這是天線制作的正常結果。圓極化輻射增益在L2和L1頻段分別為3.12 dBic和4.08 dBic，3 dB增益帶寬分別為31 MHz和43 MHz。雙頻雙圓極化天線的方向圖如圖8所示，在低頻1.227 GHz，天線呈現左旋圓極化，在高頻1.575 GHz天線呈現右旋圓極化。

尤其值得注意的是，由于制作工藝與精度的原因，在制作完成后，可根據實際的測試情況適當調整C1結構與C2結構的尺寸，使得天線的性能達到最優。

本文提出的天線與上文中部分參考文獻中天線性能比較如表2所示。通過對比可以得出，本文設計的天線在尺寸參數與造價方面取得了均衡。

3" 結" 論

本文介紹了一種基于雙耦合短接貼片加載的緊湊雙頻圓極化天線。通過移相器實現90°相位差的共饋，從而達到圓極化性能，又在主輻射方形貼片周圍加載兩組耦合短路接地貼片，實現了雙頻圓極化的性能。通過共饋探針相對位置的變化使得天線的阻抗得以匹配。實測結果表明，該天線能夠較好地實現雙頻段的圓極化輻射性能。

注：本文通訊作者為林福民。

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