一种适应于卫星定位的多频微带天线

商　锋, 李文博, 陈文学

(1.西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121;　2.西安邮电大学 理学院, 陕西 西安 710121)



一种适应于卫星定位的多频微带天线

商锋1, 李文博2, 陈文学2

(1.西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121;2.西安邮电大学 理学院, 陕西 西安 710121)

采用两层介质间添加空气层的结构，以及双点同轴馈电方式，设计出一款多频微带天线,其工作频率覆盖频段B3、GPS和GLONASSL1。对天线的回波损耗和方向图等参数进行仿真，结果显示，所设计的微带天线在B3、GPS和GLONASSL1 频段上电压驻波比小于2，B3频带宽度达到40MHz，GPS和GLONASSL1频带宽度达到30MHz，天线辐射特性良好。

同轴馈电；多频；微带天线

全球卫星定位系统利用卫星向全球用户提供定时、定位和导航等服务，现有的4种卫星定位导航系统分别是美国的GPS(Global Positioning System)、俄罗斯的GLONASS，欧洲的Galileo和中国的北斗导航系统[1-3]。为了提高定位导航精度，并解决单一系统覆盖空白的问题，组合应用多种导航系统势在必行[4]。设计出符合指标，可应用于多种导航模式的多频工作天线，是未来卫星导航天线必然的发展方向。

微带天线因其具有质量轻、体积小、剖面低、易集成和可供性等诸多优点[5]，成为卫星定位导航天线的最佳选择。圆极化微带天线更是被被广泛应用于通信和电子对抗、电子侦察和干扰等领域[6-8],但其固有频带较窄[9]，在多频段使用方面受限。采用双层叠层结构，以及多对称馈点方式[10-11]，可以获得良好的仿真效果，但天线模型和所需馈电设计相对复杂，且天线的工作频段也只能增加到两个。

本文拟设计一种带空气层和寄生单元的双点同轴馈电的微带天线，采用双点背馈的馈电方式，下层辐射导体贴片为辐射单元，上层导体贴片为增加谐振频率的寄生单元，在两层介质板之间加入空气层，并利用三维电磁仿真软件对天线进行仿真、分析及优化，探讨各参数变化时，回波损耗和辐射方向图的变化，以得到适用于卫星定位的多频微带天线的最佳尺寸。

1　设计原理

选择较厚的介质板可以适当增加带宽,在两介质层之间加入空气介质层,可以改善天线的驻波特性[12]。故考虑选择形状为正方体的介质板，其相对介电常数为εr=3.48,下层介质板厚度为5 mm，上层介质板厚度为4 mm，馈电方式为双点同轴馈电，辐射面为矩形，工作谐振频率为1 268 MHz。因上下两个辐射面之间存在相互耦合，上下两个谐振电路分别对应两个谐振频率，所以，在耦合的同时，需适当调整两辐射面之间空气层厚度和辐射面的面积，以使一个谐振频率达到1 268 MHz，另一个谐振频率达到1 575 MHz和1 602 MHz之间的中间点，即1 588.5 MHz，从而形成稳定的双峰谐振电路[13-14]。

在对天线进行建模仿真之前，先初步确定单层矩形圆极化微带天线的辐射面大小。根据传输线模型理论[15-16]，确定辐射贴片的宽度w，辐射贴片的长度L，有效介电常数εe和等效辐射缝隙长度ΔL。初步估算式分别为

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，h为介质层的厚度。

由式(1)和式(2)可初步确定微带矩形天线辐射面的大小为66.46 mm×66.46 mm；由式(3)可得有效介电常数εe=3.18；由(4)式可得出等效辐射缝隙长度ΔL=2.37 mm。

采用初步估算值进行仿真，并在仿真过程中，根据谐振频率的偏移量，调节辐射面的大小，以得到最终符合要求的辐射面。

天线仿真建模结构如图1所示。天线由接地板、介质板、辐射贴片、同轴探针和空气介质组成。该天线印刷在一块相对介电常数为3.48的介质基板上，下层介质板厚度为5 mm，上层介质板厚度为4 mm，空气介质层厚度为1.2 mm。将馈电点初始设置在9 mm的位置上，馈电点的具体位置可以在仿真的过程中，通过判断史密斯(Smith)圆图中的曲线是否过圆心得出。

仿真数据为：下层辐射面55.6 mm×55.6 mm，上层辐射面59.4 mm×59.4 mm，两馈电点分别在X轴和Y轴上，距离坐标原点都是12 mm，且两馈电点相位相差90°，辐射圆极化波。

(a) 俯视图

(b) 侧视图

2　仿真结果及分析

利用基于有限元的电磁仿真软件HFSS对天线的各项指标进行仿真[17]。将天线的中心频率设置为1 268 MHz,计算步数设置为20步，计算误差设置为0.02；扫频范围设置为1.1～1.7 GHz，步长设置为100 kHz。

各参数的仿真结果，包括天线的回波损耗S11、驻波比曲线、辐射方向图、史密斯圆图和轴比图，分别如图2至图6所示。

由图2可知，天线在扫频范围内的工作频段分别为1.24 ～1.28 GHz和1.57～1.59 GHz，对应频带宽度分别达到了40 MHz和30 MHz。由图3可知，在天线的工作频段范围内驻波比均小于2，驻波性能良好。

图2　天线的回波损耗

图3　驻波比曲线

天线在1 268 MHz、1 575 MHz和1 602 MHz上的辐射方向图如图4所示，可见：在B3频段正前方增益达到7.64 dB，50°仰角增益大于3 dB；在GPS频段正前方增益达到8.54 dB，50°仰角增益大于3 dB；在GLONASS L1频段正前方增益达到8.42 dB，50°仰角增益大于3 dB。天线方向图正前方都在一个点处重合，辐射特性良好。

天线的史密斯圆图如图5所示，圆图中的曲线距离圆心极近，可以看作天线耦合情况良好。

天线在1 268 MHz、1 575 MHz和1 602 MHz上的轴比图如图6所示：在B3频段，天线正前方轴比为0.65 dB，50°以内轴比小于7 dB；在GPS频段，天线正前方轴比为0.26 dB，60°以内轴比小于7 dB；在GLONASS L1频段，天线正前方轴比为0.59 dB，50°以内轴比小于7 dB。

(a) 1 268 MHz

(b) 1 575 MHz

(c) 1 602 MHz

图5　史密斯圆图

(a) 1 268 MHz

(b) 1 575 MHz

(c) 1 602 MHz

3　结语

设计出一种多层结构以双点同轴馈电的多频工作微带天线，其频率带宽可覆盖B3、GPS和GLONASS L1波段。利用三维电磁仿真软件HFSS仿真出的结果表明，所设计的天线在工作频段内带宽良好，并能发射圆极化波，在耦合匹配和辐射方向上略有损耗。天线结构和馈电网络相对简单，且能够工作在3个频段上。天线满足卫星定位天线的各项指标，可应用于实际工程。

[1]周祖渊. 全球卫星导航系统的构成及其比较[J/OL]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2008, 27(S1): 999-1004[2016-02-01]. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CQJT2008S1040.htm.

[2]李征航. 全球定位系统 (GPS) 技术的最新进展(第一讲):多功能卫星导航定位服务系统[J/OL]. 测绘信息与工程, 2002, 27(1): 19-22[2016-02-01].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-3817.2002.01.008.

[3]项鑫,刘红旗,李军杰.全球卫星导航系统的发展现状[J/OL].科技信息,2009(1): 66-67[2016-02-01].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1001-9960.2009.01.352.

[4]付灿, 李民权, 金秀梅. 应用于多模卫星定位导航系统的宽带天线设计[J/OL].合肥工业大学学报(自然科学版), 2011, 34(3): 391-394[2016-02-01].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1003-5060.2011.03.017.

[5]商锋.个人通信终端的宽带微带天线的研究[J/OL].西安邮电学院学报,1999,4(4):19-21[2016-02-01].http://www.cqvip.com/QK/97111X/199904/3888532.html.

[6]张学礼,赵海洲.一种宽带圆极化天线阵的设计[J/OL].通信技术,2009,42(10):43-45[2016-02-01].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1002-0802.2009.10.015.

[7]侯维娜,邵建兴,刘湘梅.一种新型小型化微带天线的分析与设计[J/OL].通信技术, 2009, 42(12):22-26[2016-02-01]. http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1002-0802.2009.12.008.

[8]薛睿峰,钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J/OL].电波科学学报,2002,17(4):331-336[2016-02-01].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1005-0388.2002.04.002.

[9]钟顺时．微带天线理论与应用[M/OL]．西安：西安电子科技大学出版社,1991:1-5[2016-02-01]．http://vdisk.weibo.com/s/A9pSpSt6hG2QF.

[10] 李瑞,郭晓栋,吴多龙,等.一种层叠结构双频圆极化GPS天线的设计[J/OL].广东工业大学学报,2011,28(1):28-31[2016-02-01]. http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-7162.2011.01.008.

[11] 汪雪刚,李瑞,吴多龙,等.GPS双频圆极化微带天线的设计[J/OL].广东工业大学学报,2011, 28(2):43-46[2016-02-01]. http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-7162.2011.02.010.

[12] KUMAR G, RAY K P. Broadband microstrip antennas[M/OL].Demand:Artech House, 2002:1-451[2016-02-01].http://www.amazon.com/Broadband-Microstrip-Antennas-Girish-Kumar/dp/1580532446.

[13] ARAKI K, UEDA H, MASAYUKI T. Numerical analysis of circular disk microstrip antennas with parasitic elements[J/OL]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1986, 34(12): 1390-1394[2016-02-01].http://dx.doi.org/10.1109/TAP.1986.1143782.

[14] KASTNER R, HEYMAN E, SABBAN A. Spectral domain iterative analysis of single-and double-layered microstrip antennas using the conjugate gradient algorithm[J/OL]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1988, 36(9):1204-1212[2016-02-01].http://dx.doi.org/10.1109/8.8596.

[15] SHANG F, YIN Y Z. Analysis and design of the circular-disk microstrip antenna with a shorting pin[J/OL]. 2010, 52(2): 96-98[2016-02-01].http://dx.doi.org/10.1109/MAP.2010.5525576.

[16] SHANG F, ZHANG B J. On study of the feeding method used for wide-banded microstrip antenna[J/OL]. Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2011,18(S2): 158-160[2016-02-01].http://dx.doi.org/10.1016/S1005-8885(10)60154-9.

[17] 李明洋,刘敏,杨放.HFSS天线设计[M/OL].北京:电子工业出版,2011:1-332[2016-02-01]. http://vdisk.weibo.com/s/aM9UE9B0WZ3lW.

[责任编辑:瑞金]

A multi-frequency microstrip antenna for satellite positioning

SHANG Feng1,LI Wenbo2,CHEN Wenxue2

(1.School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China；2.School of Science, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

By adding an air layer between two media layers, and employing the two point coaxial feeding mode, a multi-frequency microstrip antenna is designed, whose working frequency covers band B3, GPS and GLONASS L1. Some parameters of the antenna, such as the return loss and radiation pattern, are simulated, and the results show that, in band B3, GPS and GLONASS L1, the voltage VSWR of the designed microstrip antenna is less than 2. the width of band B3 is up to 40 MHz, the width of GPS and GLONASS L1 can reach to 30 MHz, so, the antenna is of good radiation characteristics.Keywords:coaxial feed, multi-frequency, microstrip antenna

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.013

2016-03-06

商锋(1965-)，男，教授，从事天线理论与工程研究。E-mail: 476436868@qq.com

李文博(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为物理电子学。E-mail: 619141975@qq.com

TN827+2

A

2095-6533(2016)04-0067-05