小型双频圆极化微带天线

摘 要：随着卫星组合导航技术的发展，可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了广泛重视。设计了一种双频圆极化微带天线，该天线能够工作在GPS的L1(1.575 GHz)频段和RNSS B3(1.268 GHz)频段。该天线双层贴片之间采用相同的介电常数，天线使用单个探针馈电。与常规的双频圆极化微带天线相比，该天线在两层贴片之间没有空气层，因此天线尺寸小，结构更加紧凑，便于加工。

关键词：双频段；圆极化；微带天线；轴比

中图分类号：TN82 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0508702

A Compact Dual-frequency Circularly Polarized Microstrip Antenna

WANG Qian,XI Xiaoli

(School of Automation and Information Engineering,Xi′an University of Technology,Xi′an,710048,China)

Abstract：With the development of integrated navigation system technique,many people pay much attention to the antenna which can work at multi-frequency simultaneity.A dual-frequency circularly polarized microstrip antenna working at L1 band of the GPS 1.575 GHz and RNSS B3 band 1.268 GHz is designed in this paper.The medium between the two patches of the antenna is the same and the antenna is fed by a single pared with the conventional dual-frequency circularly microstrip antenna,there isn′t an air-gap layer between two patches,the size of the antenna is reduced and the structure is compact.The antenna is easy to fabricate.

Keywords：dual-frequency;circular polarization;microstrip antenna;axial ratio

1 引 言

由于微带天线的尺寸小、成本低、易加工的诸多特点，微带天线在卫星通信及卫星导航领域得到广泛使用。近年，随着多模卫星组合导航技术的发展，可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了广泛重视。微带天线多数加工在高介电常数的介质上，这种天线在低仰角性能好，并且带宽较宽，同时具有良好的广角圆极化特性。微带天线的双频化方法很多，根据不同形状的微带天线，实现双频的方式也不同。若用单馈点方式实现双频化，一般有两种方式：一种是使用一块贴片，如通过加载或者开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频或者多频工作[1，2]，另一种是使用双层贴片[3]。但是通常的报道中，双层贴片天线要么加工在不同的介质上，要么加工在同一种介质上时，引入了空气层，使得加工不便，并且增大了尺寸[4，5]。

[JP2]本文设计了一种可同时工作在GPS的L1(1.575 GHz)频段和RNSS B3(1.268 GHz)频段的双频圆极化微带天线，天线通过单个探针馈电，双层正方形切角的微带贴片天线印制在相同介电常数的介质上，与一般的双层圆极化微带贴片天线相比，由于没有在两层贴片之间引入空气层，两层之间的介电常数也相同，从而天线的尺寸变小了，天线结构紧凑，更加便于生产加工。

2 天线模型

2.1 单馈点圆极化双频微带天线

单馈点无需任何移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐射。他基于空腔模型理论，利用两个辐射正交极化波的简并模，并在腔体内引入某种不对称性，以便消除这两个模的简并性。单馈点圆极化微带天线的几何结构有(准)方形、(椭)圆形及多边形等多种形式[6]。

[JP2]图1是单馈点方形圆极化微带天线的示意图。这种后馈式单馈点圆极化微带天线是通过天线基片背面一点馈电，在A型中把馈点F放置在x轴上，在B型中把馈电点设定在对角线上，通过附加简并分离单元ΔS来解出简并模的衰减。简并分离单元的符号在A型中取为负(ΔS0)。对于A型|ΔS/S|=1/2Q；对于B型|ΔS/S|=1/Q，其中Q为微带天线的品质因数[6]。

本文所设计的天线采用双层贴片，上、下层贴片均加工在厚度为3 mm，介电常数为9.2的介质材料上，如图2所示。

探针直接穿过下层微带贴片天线的过孔连接到上层微带贴片天线上，下层微带贴片天线是上层微带贴片天线的寄生单元，不用单独馈电，通过上层天线电磁耦合馈电。双频天线的谐振频率由上、下层微带贴片的大小决定：

其中，c为自由空间中的光速，L为微带贴片天线的实际长度，Δl是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度，εr为微带天线介质板的相对介电常数。微带天线的圆极化辐射通过选择正方形切角的大小来实现[6,7]。

2.2 天线方向图和S参数的计算

计算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS软件。馈源使用微波端口，加在同轴线的端口上，求解频率设置为1.57 GHz，在1~2 GHz之间使用快速扫频。

计算采用自适应求解过程，迭代次数设为6，每次计算要比前次计算所剖分的网格数增加20%，2次计算得到的S参数的幅度和相位改变量小于0.2或计算满6次，则求解结束。计算所得的S参数反映了输入端口能量的反射及能量的利用率。轴比则反映了天线辐射圆极化波的性能。

3 天线的仿真结果

双频天线的S参数、方向图以及各个频段的轴比分别如图3~图5所示。

从图3中可以看出，天线能够很好地工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。在这两个波段上，天线的S参数均小于-12 dB，从而能够完成接收卫星信号的功能。

图4表明天线在工作频段有良好的方向性和增益，能够尽可能地接收来自卫星的信号。

由图5(a)可以看出，天线工作在1.27 GHz时，在-70°~70°之间的轴比小于3.5，当天线工作在1.57 GHz时，天线从-70°~90°的轴比都小于3.5，基本能够满足GPS系统对天线轴比的要求。

4 结 语

本文设计了一个双频段圆极化微带天线，该天线能够工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。该天线选用同种介电常数的材料，采用单馈点的方式，使得微带天线能够工作在双频，与常规的微带双频天线相比，因为在两层微带天线之间没有引入空气层，该天线具有体积小的优点，而且天线的两层使用了同种材料，也便于加工。同时本文的设计方法可应用于其他双频及多频天线的设计。

参考文献

［1］张莲.小型化微带天线的宽频带和多频段研究[D].上海:华东师范大学,2005.

［2］Chow Yen Desmond Sim,Tuan Yung Han,Jeen-Sheen Row.Dual-Frequency Shorted Triangular Patch Antenna[J].IEEE,Microwave Conference Proceedings,2005(4):4-7.

［3］彭祥飞,钟顺时,许赛卿,等.小型化双频GPS微带天线[J].上海大学学报,2005,11(1):8-10.

［4］Luigi Boccia,Giandomenico Amendola,Giuseppe Di Massa.A High-performance Dual Frequency Microstrip Antenna for Global Position System[J].IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium,2001(4):66-69.

［5］Dahele J S,Kai Fong Lee.A Dual-frequency Circular Disc Microstrip Antenna With Tunable Characteristics[J].IEEE European Microwave Conference,1982:390-395.

［6］林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.

［7］叶云裳,李全明,杨小勇.单馈点圆极化GPS微带天线[J].中国空间科学技术,2002(2):30-34.

作者简介

王 骞 男，1983年出生，西安理工大学硕士研究生。研究方向为天线设计。

席晓莉 女，1976年出生，陕西人，副教授。研究方向包括电波传播、天线设计、电磁波生物应用和电磁场数值计算等。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”