一种小型化双频天线的设计

韩 旭

（南京8511 研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

微带天线设计结构的不同对天线的性能有着很大的影响。双频叠层贴片天线较单层的天线在尺寸有所减小，但叠层的结构对天线方向图的影响较为严重会增大轴比，且在制作工序上需耗费更多精力。在形状设计上，由于正方形贴片的结构的对称性有利于改善天线轴比，波瓣更宽、辐射效率更高，因此本文采用基于正方形的设计结构。

1 短支节加载天线的结构及参数的确定

本文设计了一种单层的双频微带贴片天线，图1 为该天线的仿真模型，基板的四个边挖了四个半径为1mm 圆柱形钉槽，使其与实测结果更为相似。经过多次仿真后，得出其圆心与最近的基板边界皆相距2mm 可减少对天线性能的干扰程度。在矩形贴片的四周各伸出了一个长为3mm 宽为2mm 的矩形支节，用于在调整在加工后可能出现的频率偏移。图中贴片的边长是R，采用Taconic CER-10 的介质板，板厚是6.36mm；采用正交双同轴馈电实现天线的右旋圆极化工作。根据公式1 估算出对应于GPS 的L1(1575.42MHz)这个频点的贴片边长大概是29.86mm，仿真对比后设计R=26.1mm。跟用同种基板的常规贴片天线相比，贴片的尺寸缩小了23.6%。

其中，f0为贴片天线的工作频率，c 为真空中的光速，εr为贴片边长，为基板的介电常数。

图1 天线的几何模

2 仿真结果与分析

图2 为天线的S11 参数图，可以看出该天线的工作频点覆盖了GPS 的1575.42MHz、北斗的1575.42MHz、Galileo 的1559～1592MHz这几个频段，并且所有频点的S11 都12dB，这意味着该天线可以兼容多种导航系统的制式。

图2 天线的S11 参数图

图3 为该天线在GPS 的L1 频点工作时的XOZ 面、YOZ 面的方向图，其中天线工作在右旋圆极化状态，具有良好的全向性。其中最大辐射方向在θ=0°时，最大增益=4.88dB，波瓣宽趋于140°。

图3 天线在XOZ、YOZ 面面的方向图

图4 为该频点下天线的轴比随仰角变化的曲线，由图可得在±45°的角度范围内天线的轴比都小于3dB，且轴比最低点为θ=0°，其3dB仰角覆盖范围大于普通的圆极化微带天线。

3 实验数据分析

实验中设计的实验模型为含有馈电网络的贴片天线，其中天线的馈电网络用铜为贴片材料，采用Rogers 4350 基片。

天线的样品图片和测试结果如图5 所示，图中显示的是天线的反射系数曲线，与图2 对照着看可以发现，该天线的实测工作频率与我们得仿真结果非常一致，这就证明了仿真设计是正确和有效的，另外天线的实测结果匹配程度更好并且带宽更宽。

图4 天线的轴比随仰角变化的曲线

图5 天线的样品图片与测试结果显示

4 结论

本文设计的天线具有良好的阻抗匹配特性和圆极化性能，与常规的双频圆极化天线相比，天线的尺寸有效减小，结构较为紧凑，可有效覆盖GPS L1 和GLONASS L1 两个频段，为GNSS 天线阵列单元的设计提供了一种参考方案。

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