一种北斗手持机天线

【摘要】设计了一种新型北斗手持机天线，该天线可发射1.616GHz左旋圆极化信号，接收2.492GHz右旋圆极化信号，天线通过共轴层叠结构以及耦合技术，使得发射天线增益大于-3dB（仰角10o以上），接收天线增益大于-2.5dB（仰角10o以上），隔离度达到16以上，同时尺寸较小，有效的解决了天线小型化的问题。

【关键词】双频带；并联耦合；简并分离单元；单馈点馈电

1.引言

随着北斗卫星定位导航系统逐步建设及运行，基于北斗通信而设计的手持机在军事、科技、交通、抢险救灾等相关应用中也发挥着巨大的作用，但是由于国内目前研发的双频带北斗手持机天线尺寸较大，天线外形52.8mm×52.8mm×17.5mm（长×宽×高），造成北斗手持机外形较大，携行及操作均不方便，本文通过论述一种北斗手持机天线的设计，以有效的解决手持机小型化的问题。

2.天线的结构设计

现在使用的收发双频带的北斗天线，发射天线（L波段）工作频率为1.616GHz，极化方式为左旋圆极化，接收天线（S波段）工作频率为2.492GHz，极化方式为右旋圆极化；圆极化的实现可以使用双馈电的方法，即通过威尔金森功率分配器的原理来实现的，通过两点馈电，在方形微带贴片中激励起两个简并的正交模，并使此两模等幅且相位差90o，就能得到圆极化波的辐射；另外一种方式，则采用单馈电的方法，通过调整馈电点位置，达到阻抗匹配，同时调整方形微带贴片两对角的简并分离单元，实现圆极化。

对于天线小型化的实现，一种是提高介质基板的介电常数，达到减小微带贴片天线的尺寸，但同时这样会引入表面波损耗，影响到天线的增益；另一种是通过提高介质基板的介电常数，同时在贴片边缘上开十字槽，弯曲贴片表面电流的路径，降低天线的谐振频率，达到减小微带贴片尺寸的方法。

由于双馈点馈电模式，必须有移相网络，这样造成了天线进一步小型化的困难，同时天线的隔离度仅有5～7之间。可行的方法就是采用单馈点馈电模式，但常用的单馈电模式收发天线采用层叠结构，由于介质基板的介电常数较高，天线增益低，方向图较差；所以技术上必须有所突破，才能实现小型化的目标。

为了克服上述现有技术的缺点，本天线依据天线的工作频率，采用了共轴层叠结构，上层为2.492GHz右旋圆极化的接收天线，下层为1.616GHz左旋圆极化发射天线，天线采用并联耦合技术。

辐射单元L的计算公式：L=

有效介电常数可用左式计算：

延伸量Δl的计算公式：

式中c为光速，f为天线频率，h为微带基板厚度，为有效介电常数，L为辐射单元，为微带板介电常数，Δl为延伸量。

通过Ansoft hfss软件建模运算，对天线驻波、史密斯图、方向图等分析以及优化，并经调试测试，确定制作手持机天线材料及结构，根据腔模理论手持机天线中间电场为零，中间接地孔设计为金属化过孔，电磁辐射对其不会影响，其中天线介质板材料为氧化铝陶瓷板，介电常数9.5，厚t=2.5mm；发射天线与接收天线外形尺寸L=36mm，接收天线微带贴片尺寸L1=19mm×19mm，探针1与探针2d1=Ф1mm，中心接地孔Ф2.5mm，贴片孔Ф1.5mm，以避免与探针1接触，探针1距中心L2=4mm；发射天线微带贴片尺寸L3=28.3mm×28.3mm，中心接地孔d=Ф2.5mm，馈电点距中心接地孔L4=4mm。

具体结构如下：

图1 接收天线馈电示意图

图2 发射天线馈电示意图

图3 手持机天线示意图

（1）接收天线、（2）发射天线、（3）小印制版、（4）接地印制板、（5）天线罩、（6）天线壳体、（7）MCX-JW2电缆、（8）MCX双阴头射频连接器、（9）电缆芯线、（10）探针1、（11）探针2、（12）十字槽尼龙盘头螺钉

工作原理：当发射天线2通过馈电点加电时，这时由于馈电位置阻抗为50Ω，其两辐射边对外辐射能量相同，而形成圆极化，调节两对角的简并分离单元，形成两个相位差为90o，幅度相等的正交摸，从而达到圆极化的目的；而发射天线2的激励对接收天线1形成了耦合，相当于为其加载了一个电感性元件，而增加了其辐射效率，提高了天线增益。接收天线辐射面的边长，由于与来自空间所要接收的电磁波波长匹配，从而形成了谐振，产生电磁信号，通过10探针1、印制板3、电缆芯线9将信号接收，其圆极化原理同发射天线2相同。

图4 天线驻波图

图5 发射天线到接收天线隔离度图

图6 天线方向图

3.实验结果

按照图1、2、3结构设计的天线北斗手持机天线，用矢量网络分析仪以及在微波暗室测量，结果如图4天线驻波图、图5发射天线到接收天线隔离度图、6天线方向图，发射天线及接收天线电压驻波比小于1.5以下，发射天线及接收天线阻抗基本接近50Ω，圆极化特征明显，发到收隔离度16dB，发射天线增益大于-3dB（仰角10o以上），接收天线增益大于-2.5dB（仰角10o以上），各方面性能指标优异，达到了预期效果。

4.结束语

本文介绍了一种北斗手持机天线的设计，天线采用共轴层叠结构微带天线设计，收发天线相互耦合，应用腔模理论，巧妙的利用中间接地孔，使得天线的低仰角、辐射性能好，发射天线增益大于-3dB（仰角10o以上），接收天线增益大于-2.5dB（仰角10o以上）；而现有手持机天线发射天线增益大于-3.5dB（仰角10o以上），接收天线增益大于-3dB（仰角10o以上）；发到收隔离度达到16dB以上，现有手持机天线只有12dB；外形小，天线尺寸为40mm×40mm×17mm（长×宽×高），现有手持机天线外形52.8mm×52.8mm×17.5mm（长×宽×高）。工艺可靠，便于批量生产的优点；随着北头相关产品在国民经济的应用，该天线必将发挥一定的积极作用。

参考文献

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