雙頻圓極化北斗導(dǎo)航微帶天線設(shè)計(jì)

摘" 要：隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)航定位需求不斷增加，圓極化北斗導(dǎo)航天線具有重要的研究價(jià)值。為滿足北斗終端設(shè)備對天線尺寸小型化、低軸比以及多頻段的需求，文章采用單饋電點(diǎn)和兩層貼片的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出一款覆蓋BDS-3 B3I和BDS-3 B1I頻段的微帶天線，該設(shè)計(jì)方案采用在圓形貼片上開槽的方式引入微擾使天線輻射圓極化波。此外，通過引入CSRR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線小型化。結(jié)果表明，提出的天線在兩個(gè)頻段均實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，尺寸為60 mm×60 mm×5.8 mm，BDS-3 B3I和BDS-3 B1I頻段軸向增益均大于2.6 dB，軸向軸比小于3 dB，仰角20°軸比小于7 dB，仰角20°增益大于-4 dB，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。在大地測量、橋梁施工、海洋測量、自動駕駛導(dǎo)航等定位精度要求較高的場景中具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)航；微帶天線；雙頻；圓極化

中圖分類號：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）24-0021-05

Design of Dual-frequency Circular Polarization Beidou Navigation Microstrip Antenna

LI Lishan

（Anhui Telecom Planning and Design Co.， Ltd.， Hefei" 230031， China）

Abstract： With the development of Beidou navigation satellite system， the demand for navigation and positioning is increasing， and the circular polarization Beidou navigation antenna has important research value. To meet the requirements of Beidou terminal equipment for antenna size miniaturization， low axial ratio and multi-frequency band， this paper adopts a design scheme of single feed point and two-layer patch to design a microstrip antenna covering BDS-3 B3I and BDS-3 B1I frequency bands. And the design scheme introduces the perturbation to make the antenna radiate the circular polarization wave by the method of opening slot on a circular patch. In addition， it realizes the antenna miniaturization by introducing the CSRR structure. The results show that the proposed antenna realizes circular polarization in both frequency bands， with dimensions of 60 mm×60 mm×5.8 mm. The axial gains of BDS-3 B3I and BDS-3 B1I bands are both greater than 2.6 dB， the axial ratio is less than 3 dB， the axial ratio of the elevation angle 20°is less than 7 dB， and the gain of the elevation angle 20° is greater than -4 dB， which meet the design index. It has a wide range of application prospects in scenarios with high positioning accuracy requirements， such as geodesy， bridge construction， oceanographic surveying， and autonomous driving navigation.

Keywords： navigation; microstrip antenna; dual-frequency; circular polarization

0" 引" 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會中不可或缺的一部分，廣泛應(yīng)用于政治、軍事、社會和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Beidou Navigation Satellite System， BDS）是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的建設(shè)實(shí)現(xiàn)了我國在軍事自主權(quán)方面的突破，同時(shí)也為國內(nèi)減少GPS專利費(fèi)用等帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。天線作為電磁波的發(fā)射和接收裝置，是衛(wèi)星通信導(dǎo)航系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，其性能好壞直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，對導(dǎo)航天線的構(gòu)成以及功能方面的要求也逐漸提高[5-6]，其性能會影響到整個(gè)終端設(shè)備的用戶體驗(yàn)。

微帶天線具有小體積、輕重量、低刨面、易共型的特點(diǎn)，更加廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航領(lǐng)域。線極化天線對于人們的需求已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足，因此對圓極化微帶天線的研究具有實(shí)際意義。Sahana等設(shè)計(jì)了一款用于GPS輔助GEO增強(qiáng)導(dǎo)航接收機(jī)的雙頻圓極化環(huán)形貼片天線[7]，該天線用于覆蓋L波段，通過在外環(huán)和內(nèi)環(huán)中心空間的兩個(gè)正交帶中引入擾動來產(chǎn)生兩波段的圓極化。Liang等人設(shè)計(jì)一款低輪廓、高孔徑效率的六角圓極化微帶天線陣[8]，在環(huán)形天線中加入微擾元件并通過加載三角形貼片來產(chǎn)生良好的圓極化波輻射。

基于上述研究工作，本文提出一款單饋電點(diǎn)結(jié)合兩層貼片的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合天線尺寸小型化、低軸比以及多頻段的需求，實(shí)現(xiàn)了工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I頻段的微帶貼片天線，并通過引入CSRR結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的小型化性能。該設(shè)計(jì)方案采用在圓形貼片上開槽的方式引入微擾使天線輻射圓極化波。仿真結(jié)果表明該天線的設(shè)計(jì)方案滿足既定的設(shè)計(jì)指標(biāo)，工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I頻段，具有良好的輻射特性。

1" 天線的結(jié)構(gòu)

考慮到使用多個(gè)饋電的方式饋電網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜以及實(shí)現(xiàn)難度較大，因此本文采用單個(gè)饋電點(diǎn)的方式來降低天線設(shè)計(jì)時(shí)的難度以及天線的尺寸，考慮到北斗導(dǎo)航終端設(shè)備的多頻段兼容性，因此需要設(shè)計(jì)出一款工作在多個(gè)頻段的天線。由于BDS-3 B1I與BDS-3 B3I頻段相隔較遠(yuǎn)，因此采用兩層貼片同心放置的方式讓天線工作在BDS-3 B1I和BDS-3 B3I頻段。本文采用一個(gè)饋電點(diǎn)和兩層貼片層疊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

為提高天線的軸比性能，天線的兩層貼片均采用對稱性圓形貼片，同時(shí)將其同心放置，下層貼片使天線工作在低頻率BDS-3 B3I頻段，上層貼片使天線工作在BDS-3 B1I頻段。天線輻射單元印刷在上下兩層FR4環(huán)氧樹脂介質(zhì)基板上（相對介電常數(shù)4.4，損耗角正切0.02），兩層輻射單元均采用圓形貼片，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。h2=1.6 mm和h1=4.2 mm分別為上下層介質(zhì)基板厚度，介質(zhì)板長寬均為60 mm。天線的上下層貼片的結(jié)構(gòu)，下層貼片覆蓋頻率較低，因此貼片面積相對較大，其半徑用R1表示；該貼片包含與X軸成45度和-135度的兩條縫，長度分別為L1和L2，縫的寬度為w1。上層貼片覆蓋頻率相對較高，因此貼片面積相對較小，其半徑用R2表示；該貼片包含與X軸成45度和-135度的兩條縫，長度分別為L3和L4，縫的寬度為w2的設(shè)計(jì)可以有效減小天線的尺寸。兩層貼片的大致半徑可以通過式（1）計(jì)算得到：

（1）

式（1）是圓形貼片半徑與工作頻率的經(jīng)驗(yàn)公式[9]，其中c表示真空中的光速，εr表示介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，f表示輻射貼片的工作頻率。從式（1）可以計(jì)算出BDS-3 B3I（1 268 MHz）和BDS-3 B1I（1 561 MHz）這兩個(gè)頻段對應(yīng)的貼片半徑分別為32.6 mm和26.5 mm。

為了減少天線使天線的尺寸更小，嘗試性地將CSRR結(jié)構(gòu)引入天線中。1999年，Pendry等人提出了一種利用開環(huán)諧振器（Split-Ring Resonator， SRR）和周期性排列的金屬棒，其在特定的微波頻率下呈現(xiàn)出有效磁導(dǎo)率和有效介電常數(shù)同時(shí)為負(fù)值的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)[10]。SRR結(jié)構(gòu)由兩個(gè)金屬開口同心環(huán)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)在其諧振頻率處呈現(xiàn)出負(fù)等效磁導(dǎo)率的超材料特性。

2004年，F(xiàn)alcone等人在SRR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了互補(bǔ)開環(huán)諧振器（Complementary Split-Ring Resonator， CSRR）結(jié)構(gòu)[11]，CSRR是SRR的互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。CSRR結(jié)構(gòu)的等效電路如圖2（b）所示，它被表示為LC諧振回路的并聯(lián)形式，其中電感Lr=L0/4，電容Cr，L0=2πRLpul，Lpul為單位長度的電感。CSRR結(jié)構(gòu)的諧振頻率f0可以通過計(jì)算得出。CSRR結(jié)構(gòu)可以等效為放置在貼片圓環(huán)中線上的一個(gè)電偶極子。

針對上述結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了兩種天線結(jié)構(gòu)對加入的CSRR結(jié)構(gòu)能減小天線尺寸進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如圖3所示，可以看到，在沒有加入CSRR結(jié)構(gòu)時(shí)（藍(lán)色的點(diǎn)劃線），天線工作在1.57 GHz左右，在加入CSRR結(jié)構(gòu)后（橙色的實(shí)線），天線工作在1.46 GHz，可以得出，加入CSRR結(jié)構(gòu)可以有效地降低天線的尺寸。

在所設(shè)計(jì)的雙層北斗導(dǎo)航天線中，上下層貼片均加入CSRR來實(shí)現(xiàn)天線的小型化，如圖2所示，在下層貼片中，CSRR的外圍半徑為Cr1，開槽寬度為s1，內(nèi)外槽之間的間距為p1，開口寬度為g1，在上層貼片中，CSRR的外圍半徑為Cr2，開槽寬度為s2，內(nèi)外槽之間的間距為p2，開口寬度為g2。

2" 天線的仿真分析

為了驗(yàn)證圓極化雙頻天線的性能，采用表1中的尺寸對天線進(jìn)行建模仿真，天線達(dá)到了北斗導(dǎo)航天線技術(shù)指標(biāo)。天線的回波損耗隨頻率變化的曲線如圖4所示。

2.1" 天線的回波損耗仿真結(jié)果

通過仿真軟件對天線最佳參數(shù)的建模，可以得到天線的回波損耗曲線如圖4所示。可以得到天線共有兩個(gè)諧振頻段，可以覆蓋BDS-3 B3I（1 268.52 MHz±15.34 MHz）、BDS-3 B1I（1 561.098 MHz±2.046 MHz）頻段。其中BDS-3 B3I頻段的S11小于-10 dB的絕對帶寬為41MHz（1 261.6 MHz～1 302.6 MHz），相對帶寬為3.2%，BDS-3 B1I頻段的S11小于-10 dB的絕對帶寬為56.4 MHz（1 537.4 MHz～1 593.8 MHz），相對帶寬為3.6%。

2.2" 天線的軸比仿真結(jié)果

通過仿真軟件對天線最佳參數(shù)的建模，天線的軸比如圖5所示，圖中顯示天線在BDS-3 B1I及BDS-3 B3I頻段軸比隨頻率的變化曲線圖。從圖5可看出BDS-3 B1I頻段軸比小于3 dB的帶寬為20.9 MHz（1 555.6 MHz～1 576.5 MHz）。在BDS-3 B3I頻段軸比小于3 dB的帶寬為10.6 MHz（1 264.0 MHz～1 274.6 MHz）。

2.3" 天線的極化方式

通過仿真軟件對天線最佳參數(shù)的建模，可以得到設(shè)計(jì)的天線在BDS-3 B1I頻點(diǎn)（1 561.098 MHz）處的表面電流分布情況，如圖6所示，可以得到當(dāng)天線通過同軸饋電被激勵時(shí)，圓形貼片的兩組TM11模式在BDS-3 B1I頻率處被激勵，具有相等的幅度和90°的相位差，從而產(chǎn)生圓極化。圖6顯示出了由于在BDS-3 B1I頻率處兩個(gè)模式的激勵而引起的表面電流分布。對于θ=0°、90°、180°和270°時(shí)表面電流的不同分布，可以得到天線在BDS-3 B1I頻率處產(chǎn)生的波為右旋圓極化波，天線的極化方式為右旋圓極化。

同理可得，圖7中顯示出了由于在BDS-3 B3I頻率處兩個(gè)模式的激勵而引起的表面電流分布。對于θ=0°、90°、180°和270°時(shí)表面電流的不同分布，可以得到天線在BDS-3 B3I頻率處產(chǎn)生的波為右旋圓極化波，可以得到，天線的極化方式也為右旋圓極化。

2.4" 天線的增益

天線在BDS-3 B1I頻率時(shí)的增益，如圖8所示，圖8為天線在BDS-3 B1I頻率的3D遠(yuǎn)場增益圖，從圖8中可以看出，在BDS-3 B1I頻率時(shí)，天線在軸向增益為2.85 dB，在θ=70°（仰角20°）時(shí)天線的增益為-2.64 dB，在θ=-70°（仰角20°）時(shí)，天線的增益為-2.79 dB。并且在BDS-3 B1I頻率時(shí)，天線在軸向右旋圓極化增益為2.62 dB，同時(shí)右旋圓極化軸向增益大于左旋圓極化軸向增益16 dB以上。

天線在BDS-3 B3I頻率時(shí)的增益，如圖9所示，圖9為天線在BDS-3 B3I頻率的3D遠(yuǎn)場增益圖，從圖9中可以看出，在BDS-3 B3I頻率時(shí)，天線在軸向增益為2.24 dB，在θ=70°（仰角20°時(shí)天線的增益為-3.48 dB，在θ=-70°（仰角20°）時(shí)，天線的增益為-3.45 dB。并且在BDS-3 B3I頻率時(shí)，天線在軸向右旋圓極化增益為2.30 dB，同時(shí)右旋圓極化軸向增益大于左旋圓極化軸向增益18 dB以上。

2.5" 天線的方向圖仿真

天線在BDS-3 B1I及BDS-3 B3I頻段的E面和H面增益方向圖，如圖10所示，從圖中可以看出，在BDS-3 B1I頻率時(shí)，天線在軸向右旋圓極化增益為2.62 dB，交叉極化增益大于16 dB以上。天線在BDS-3 B3I頻率時(shí)，天線在軸向增益為2.24 dB，交叉極化增益大于18 dB以上。

3" 結(jié)" 論

本文提出一款小型化圓極化雙頻微帶貼片天線。通過采用同軸線饋電和雙貼片的設(shè)計(jì)方案，使天線工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I頻段。該設(shè)計(jì)方案采用在圓形貼片上開槽的方式引入微擾用來使天線可以輻射圓極化波，在兩個(gè)頻段均實(shí)現(xiàn)右旋圓極化，引入CSRR結(jié)構(gòu)減小在BDS-3 B3I頻段工作時(shí)貼片尺寸大的問題，天線尺寸為60 mm×60 mm×5.8 mm，實(shí)現(xiàn)小型化，具有應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介：李櫟杉（1996.09—），女，漢族，安徽合肥人，助理工程師，碩士，研究方向：通信工程。