一种单空气介质层GNSS测量型天线设计

李晓鹏 李庚禄 张华福

【摘要】本文设计了一款单空气介质层测量型有源贴片天线，天线结构采用单层空气介质作为全球卫星导航系统（GNSS）贴片天线高低频段的电场辐射层，通过对高频贴片外边缘锯齿化处理和低频贴片内边缘锯齿化接地以及其外边缘设置锯齿辐射单元，使天线整体尺寸减小约20%。通过HFSS软件优化设计，实现了GNSS天线的成本低、体积小、增益高、轴比频带较宽、圆极化性能好等特点。同时，天线辐射贴片结构在设计上满足高低频相位中心高程差較小。本文所设计天线满足覆盖四大在运行卫星导航系统的高低信号频段，并且采用对称的四馈针馈电技术使得天线表现出良好的圆极化性能和相位中心稳定性，尤其适合于GNSS精确测量与精准定位系统终端设备。

【关键词】空气介质;卫星导航;贴片天线;圆极化;终端设备

1.引言

随着卫星导航产业的迅速发展，综合运用GPS、GLONASS、COMPASS、GALILEO四种卫星定位系统进行导航定位，使得终端设备既具有定位精度高、相对使用可靠的特点，同时又充分利用我国自主知识产权的北斗核心技术资源，是目前提高卫星导航、测量与定位可靠性的最佳解决方案之一。与此同时，也迫切需要发展一款具有多频段、宽波束带宽、高增益、广角轴比等综合性能较优的导航天线，使其满足四星导航系统的搜星定位精度要求。微带天线具有形状小、成本低、易共形和易加工等优点[1-5]，选择特定的贴片形状和馈电方式较容易获得圆极化模式，因此被广泛应用于卫星导航领域。研制者发现贴片的形状是影响天线性能的主要因素之一，它直接影响着天线的宽度、频率、增益等重要指标，并且介质材料的选择对各项性能指标也有着极其重要的影响，所以在天线的设计时需要进行综合考虑，从而选择符合实际需要的天线结构设计。通常微带天线多数加工在高介电常数的介质上，这种天线设计在低仰角性能较好，并且满足波束宽度和带宽较宽，而且具有良好的广角圆极化特性，但是往往这些高性能的介质材料价格较贵，对于这种性能稳定并且较为成熟的介质材料品种比较单一，这对高精度导航定位天线的研制带来了巨大的挑战。本文立足于节约成本和节能环保的角度设计了一款采用单空气介质层实现双频有源微带贴片天线，通过对贴片结构的灵活处理实现了双频有源天线的低成本、小型化、高增益、宽角轴比和宽波束带宽等性能。同时，通过利用巧妙的辐射面设计满足低仰角性能参数较优设计。

2.天线理论分析与结构设计

2.1 理论分析

本文天线结构采用高低频微带贴片共用单层空气介质层，由于空气介质具有较低的介电常数，所以能够达到扩宽微带贴片天线带宽的目的。而为了进一步扩宽天线工作带宽，常通过增加辐射介质基板厚度的方法实现，但是介质基板过厚将直接导致较为严重的表面波激励，从而降低了微带天线的辐射频率。因此在设计时，选择合适的介质基板厚度变得更加重要。

根据微带贴片天线理论分析表明[6]，微带天线在工作过程中会激励起表面波，其截止频率为：

（1）

其中，为表面波截止频率，n为表面波的模式，c为真空中的光速，h为介质基板厚度，为介质衬底的相对介电常数。所以针对上述理论，选择合适的介质厚度和介电常数可以有效抑制表面波效应和减少因表面波散射恶化引起的交叉极化性能、工作带宽较窄和辐射增益较差等现象。

本文高低频天线设计是基于圆形贴片天线设计基本理论，即圆形贴片尺寸大小由下式给出：

（2）

（3）

其中，为微带矩形贴片的实际长度，是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度。

2.2 结构设计

本文天线结构图，如图1和图2所示，介质基板部分采用厚度为10mm的空气层，天线高频辐射贴片单元采用锯齿圆并将其置于厚度为1mm的高频PCB板（RO4550B）的上层，低频辐射贴片单元采用内部锯齿状接地的类圆环结构且位于高频PCB板的下层，即环状贴片内边缘锯齿化接地和外边缘与垂直地面的矩形锯齿辐射单元相连接。由于天线采用较长圆柱形探针进行下馈电，导致天线输入阻抗的电感性增强，影响了天线的工作带宽，在天线单元外围设计一系列与低频贴片辐射锯齿单元一一对应的接地容性单元，并通过调整锯齿尺寸、数量以及锯齿间距等使其等效电容值达到较佳，进而极大地改善天线输入信号的阻抗特性。同时，矩形锯齿的存在使辐射贴片表面电流的路径变长，即等效于增加了激励贴片单元的外半径，使天线在谐振环中输入阻抗的实部减小[7-8]，并在一定程度上缩小了天线尺寸。天线高低频贴片在结构上的布局使其相位中心测量高程差较小，这将极大地改善天线的测量和定位精度。本文设计天线依然采用四馈针馈电技术，四个馈电点采用不同的相移进行相互补偿，以保证了天线单元在工作频带内具有较好的阻抗带宽、圆极化性能、抑制交叉极化和轴比特性，同时也保证了天线相位中心更加稳定，相移网络如图3所示。

图1 天线结构剖面视图

图2 天线结构底部视图

图3 相移耦合网络

3.数据仿真

采用基于有限积分法的电磁仿真软件HFSS对所设计的天线进行优化设计，轴比仿真结果如图4所示，天线高频和低频低于3dB的轴比角度范围分别为-90°--90°和-102°--102°，进而保证了天线在较宽的波束范围内实现了良好的圆极化特性[9]。通过仿真得出天线高低频对应的增益分别约为6.75dBi和6.86dBi，较好地满足天线设计增益指标需求。从图5给出的天线2D模式增益方向图可以看出，天线在低仰角的增益得到很大改善，这将极大地改善天线在低仰角的卫星信号跟踪和接收能力，进而能够保证天线具备更高的测量和定位精度。

图4 天线高频和低频轴比

图5 天线高频和低频2D模式方向图

针对本文设计的单层空气介质层新型结构天线，位于空气介质层内的接地锯齿和外围辐射调谐锯齿辐射单元的存在在很大程度上改善了天线辐射方向图的波束形状和天线增益，并且通过调整这些电辐射单元的结构尺寸和数量可以获得较宽的波束宽度、较高的天线增益和全方位的辐射模式场。从图5可以看出，该天线增益具有较小的前后比，这将极大地改善低仰角卫星信号的接受能力。

图6 天线高频方向图

图7 天线低频方向图

图6和图7给出高低频段激励贴片天线左旋和右旋增益随频率的变化趋势，从图中可以看出天线右旋增益在工作频带内较为平坦并满足指标增益需求，并且左旋增益均比较低，进而保证了该天线在高低频段均具有较好的右旋圆极化特性。

4.结论

本文设计了一款新型单空气介质层GNSS多频有源微带贴片天线，借助HFSS仿真软件通过不断对天线结构优化设计和改进，不仅使天线结构尺寸缩小约20%，而且保证天线具有辐射增益高、广角轴比特性优异、波束带宽较宽、圆极化性能好、相位中心稳定、低仰角性能参数好等优良特性。该天线单元能够满足在运行的四大卫星导航系统高低信号频段各项性能指标需求，对今后全球卫星导航系统高精度全频段测量性天线的研制具有重要参考价值。

参考文献

[1]宋小弟，冯恩信，傅君眉.一种新型小型圆极化GPS微带天线的设计与实现[J].西安电子科技大学学报，2009，36（6）：1108-1113.

[2]赵丽娟，邵晓亮，邹永庆，吴先良，杨代明.一种新型宽带圆极化微带天线的设计[J].现代电子技术，2009，32（24）：91-93.

[3]田晓青，刘少斌，张学勇，周良.基于北斗卫星导航系统的一种圆极化微带天线[J].信息化研究，2011，37（2）：22-24.

[4]Wang EnCheng，Zhang Chang，Zhang ChangNian.Broad-band Circularly Polarized Patch Antenna for Multi-Mode Navigation Application[J].International Journal of Computer Science Issues，2012，6（9）：44-48.

[5]J.-H.Oh，Y.-P.Hong，and J.-G.Yook， Dual circularly-polarized stacked patch antenna for GPS/SDMB[J].Wave Technol，2010：252-255.

[6]Waterhouse R B.Design of probe-fed stacked patches[J].IEEE Trans Antennas Pmpagat，1999，47（12）：1780-1784.

[7]Xi Li，Lin Yang，Min Wang，Yi Wang，Xi Chen，and Juan Lei. Wideband shorted annular stacked patch antenna for global navigation satellite system application with compact size and broad beamwidth characteristics[J].Progress In Electromagnetics Research C，2013（35）：123-134.

[8]Guo Y X，Bian L，Shi X Q.Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna[J].Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2009，57（8）：2474-2477.

[9]Caizzone S，Basta N，Dreher A.Compact GNSS antenna with circular polarization and low axial ratio[C].Antenna Technology and Applied Electromagnetics（ANTEM），2012 15th International Symposium on.IEEE，2012：1-3.

作者簡介：李晓鹏（1987—），男，山东菏泽人，硕士，现供职于广州中海达卫星导航技术股份有限公司研发中心基础研究院，主要从事卫星测量型天线以及接收机终端设备相关研究工作。