一种双频段圆极化移动导航终端天线的设计

摘 要：给出了一款应用于北斗导航卫星系统（CNSS）B1频段/S频段的双频圆极化缝隙天线的设计方法。该天线采用微带线进行馈电，在地板上开有两个方形螺旋槽，其总槽长度大约均为一个自由空间操作波长。通过调节螺旋槽的终点处的长度即可获得最适宜的轴比，从而实现圆极化。另外，还可以通过调节螺旋槽的宽度来获得较大的轴比带宽。在地板中央切去一个圆环形槽可增大感应电流的路径，从而降低圆极化的中心频率。通过仿真软件HFSS对天线结构参数进行优化设计，并制作实物。其仿真及实测结果表明：回波损耗小于-10 dB的阻抗带宽为38.5%，且在阻抗带宽内天线的相对轴比带宽也达到了大约5%。

关键词：双频圆极化；螺旋槽；回波损耗；轴比

中图分类号：TN82 文献标志码：A 文章编号：2095-1302（2014）01-0027-03

0 引 言

由于圆极化天线具有接收效率高、抗多径反射、抗干扰等性能优点，因此在卫星导航系统中得到了广泛的应用。具有多频段、圆极化和宽带特点的移动导航终端天线是近年来卫星导航天线研究的热点[1]。在文献[2]中， 提出了一种宽带圆极化缝隙天线，在地板上开有单线波圆形螺旋槽来实现圆极化，但缺点是不容易确定所需的圆形螺旋槽的尺寸，圆极化的实现难度较大。为了解决这一问题，在文献[3]中提出了一种利用空间顺序旋转技术的宽带圆极化缝隙天线，在地板上开有单个方形螺旋槽来实现圆极化，但是需要同时调节方形螺旋槽的始端和末端的长度来实现圆极化，导致圆极化的实现难度增大。本文设计了一种更简单的微带线馈电的圆极化缝隙天线，在地板上开有两个方形螺旋槽，该结构只需要同步调节螺旋槽的末端的长度即可实现圆极化。另外，还可以通过调节螺旋槽的宽度来获得较大的轴比带宽；在地板中央切去一个圆环形槽以降低圆极化的中心频率。应用仿真软件HFSS对该天线进行仿真优化，并制作了实物。仿真及实测结果表明，该天线的相对驻波带宽达到38.5%，相对轴比带宽达到约5%。

1 天线设计

该天线印制在一块厚度为1 mm，相对介电常数为4.4，损耗角正切为0.019的低耗FR4介质基板上，该基板的平面尺寸为L0×W0。在它的正面印制天线的辐射贴片单元，背面印制微带馈线。图1（a）中，在地板上开有两个方形的螺旋槽，每个方形螺旋槽外侧的长度从内到外均依次为L，L+w，L+2w，L+3w，L+4w，L+5w。此处，w为方形螺旋槽的宽度，d为方形螺旋槽末端枝节长度的调节量，通过调节d的大小可以获得最适宜的轴比，从而实现圆极化。每个方形螺旋槽外侧的总长度均为6L+15w-d，大约为所需谐振频率处的一个自由空间操作波长。在地板的中心位置切去一个圆环形槽，增大感应电流的路径，从而降低圆极化的中心频率。该圆弧形槽的外半径为R1，内半径为R2。微带馈线的结构如图1（b）所示，微带馈线设计为50 Ω，其导电贴片的宽度为Wf，末端的两个开路枝节均位于地板上的方形螺旋槽的中央，分别与SMA射频接头相连接。通过电磁仿真软件HFSS 14.0进行建模仿真，对各项参数进行优化调节，得到最佳参数尺寸如下：L0=100mm，W0=65 mm，R1=7 mm，R2=4 mm，L=22 mm，w=2mm，d=1.5mm，Wf=3 mm。

2 仿真与实测结果

根据上述仿真优化的结果，加工并制作了天线实物，如图2所示。图2（a）为天线正面图，图2（b）为天线背面图。为了验证仿真结果的准确性，采用Agilent E5071C矢量网络分析仪实际测量了天线的S参数，并将实测和仿真结果进行了对比。由于实验条件的限制，未能对天线的轴比、方向图等参数进行实际测量。

（a） 天线正面图 （b） 天线背面图

天线回波损耗的仿真结果如图3所示。可以看出，该天线在频段1.35～1.78 GHz，2.35～2.63 GHz内的S11均小于-10 dB，相对驻波带宽达到38.5%，满足指标要求。天线在1.3～2.7 GHz内增益的仿真曲线图如图4所示，可看出天线在中心频率附近处的增益都较好，整体辐射性能达到要求。

天线轴比随频率变化的仿真曲线如图5所示。其中，图5（a）为1.575 GHz中心频率处附近的轴比随频率变化的仿真曲线，图5（b）为2.492 GHz中心频率处附近的轴比随频率变化的仿真曲线。从图中可以看到频率在1.56～1.60 GHz范围和2.47～2.53 GHz范围内天线轴比均小于3 dB，相对轴比带宽达到约5%，有着良好的圆极化特性。

（a） 1.575 GHz频率处附近的轴比曲线

（b） 2.492 GHz频率处附近的轴比曲线

该天线的结构决定了其具有双面辐射的特性。天线在中心频率1.575 GHz和2.492 GHz处的仿真归一化方向图分别如图6（a）、图6（b）所示。从两幅图可以看出天线在正面辐射的右旋圆极化波的增益远大于左旋圆极化波的增益，故在正面辐射右旋圆极化波。与此相反，在背面辐射的为左旋圆极化波。

（a） 1.575 GHz处的方向图

（b） 2.492 GHz处的方向图

频率在1.575 GHz，2.492 GHz时天线圆极化轴比随角度变化的曲线分别如图7（a）、（b）所示，从图7可见，该天线在中心频点处的轴比小于3 dB的波束宽度，大约达到了65°。

3 结 语

本文提出了一种微带线馈电的双频段圆极化缝隙天线。在地板上开有两个方形螺旋槽，并通过同步调节这两个方形螺旋槽末端的长度即可获得最适宜的轴比，从而实现圆极化。另外，还可以通过调节方形螺旋槽的宽度来获得较大的轴比带宽；在地板中央切去一个圆环形槽以增大感应电流的路径，从而降低圆极化的中心频率。仿真及实测结果表明，天线相对阻抗带宽达到38.5%，且在阻抗带宽内天线的相对轴比带宽也达到了大约5%。该天线具有低剖面和结构稳固的特点，且结构简单易于制造，具有一定的实际应用价值。

参 考 文 献

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