L双频与GPS集成天线设计*

陆文春 郑 成 聂时振 曹 一 程 晗

(中船重工第七二二研究所 武汉 430205)

L双频与GPS集成天线设计*

陆文春 郑 成 聂时振 曹 一 程 晗

(中船重工第七二二研究所 武汉 430205)

论文设计了一种将L频段通信用双频天线与GPS天线集成的小型化天线。通过在单频工作L天线辐射贴片下插入耦合贴片的方式实现了L天线双频工作,通过恰当地选介质板材料与天线结构参数,使得L天线在双频段具有优良的阻抗特性。将GPS天线的辐射贴片作为L天线的反射地板,降低了天线剖面。设计了天线馈电网络,保证了L天线与GPS天线具有良好的圆极化性能。

天线; 微带天线; 圆极化; GPS

Class Number TN820

1 引言

在现代卫星通信与定位导航应用中,具有宽波束圆极化天线得到了广泛的应用。圆极化天线通常有四臂螺旋、十字交叉振子、天线阵等多种形式[1～4]。相较其它形式天线,微带天线具有剖面低、体积小、重量轻等诸多优点而被广泛研究和应用。本文研究的L双频天线要求同时用于接收与发射信号,上行与下行频率不同,极化方式为左旋圆极化；GPS天线为右旋圆极化天线。GPS天线与L双频天线须分别馈电,同时要进行集成设计。采用宽带天线形式可实现L天线双频工作[5～10],但通常会增加天线厚度；采用插入耦合贴片的方式也可实现双频工作,且天线具有剖面低的特点。天线实现圆极化通常有单馈天线加切角或开槽[11]的形式以及双馈的形式,双馈形式能在更宽的频带内保证天线圆极化性能。本文设计的微带集成天线形式,综合使用了插入耦合贴片和双馈技术,使天线具有优良的阻抗匹配特性和圆极化性能。

2 天线结构

本文设计的天线由辐射贴片与馈电网络两部分组成,辐射贴片的结构如图1所示,三个带短枝节的圆片为辐射贴片,引入枝节便于在加工完天线后调整天线谐振频率。最顶部辐射贴片对应于L天线的高频点,记为fH,位于其下方紧邻的耦合贴片使L天线在低频段产生一个谐振点,记为fL,通过恰当选择介质材料、贴片大小以及两贴片间距调整天线在两个频点的阻抗匹配,最下面的辐射贴片对应着GPS天线。

为实现天线良好圆极化性能,本文设计的天线采用了双馈点馈电[12],两个馈电端接收到的信号幅度相等而相位相差90°。图2为设计的馈电网络结构,其左下部分为GPS天线馈电网络,右上部为L天线馈电网络。

3 天线测试

按以上结构加工了天线,下面分别对天线和馈电网络进行测试,然后将其组装后对方向图进行了测试。由于加工和仿真存在误差,天线的谐振频率有微小偏移,但并不影响分析其带宽与方向图等特性,所以未对加工好的天线进行谐振频率调试,下面是测试结果。

图3给出了天线的驻波比,从该图可以看出,L天线实现了双频谐振,同时在两个频点具有很小的驻波比,GPS天线也具有较小的驻波比,驻波比小于2.0的频带宽度约为30MHz。

图4给出了L天线馈电网络的幅度与相位特性,从该图可以看出L天线馈电网络插入损耗约为0.3dB,两输出端口间相位差约为95°左右,可保证天线圆极化性能良好。

图5给出了GPS天线馈电网络的幅度与相位特性,从该图可以看出GPS天线馈电网络插入损耗约为0.1dB,两输出端口间相位差约为85°左右,可保证天线圆极化性能良好。

将天线与馈电网络组装后对天线方向图进行了测试,在测试中经与标准天线对比接收电平,计算出L天线与GPS天线增益均为4.0dB左右。图6给出了天线方向图测试结果, 图中还给出了增益大于0dB波束宽度。从图中可以看出L天线增益大于0dB波束宽度约为122°,能满足使用需求。GPS天线增益大于0dB波束宽度约为134°,适合作为导航定位用天线。

4 结语

本文提出了一种紧凑的微带集成天线。该天线通过加入耦合贴片的形式实现了L天线双频工作。设计了天线馈电网络,保证了L天线与GPS天线具有良好的圆极化性能,同时天线具有易调试、结构简单等优点。实测表明天线具有较宽的增益大于0dB波束宽度,适合应用于卫星通信与导航定位。

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Design of Integrated Dual-band L Antenna and GPS Antenna

LU Wenchun ZHENG Cheng NIE Shizhen CAO Yi CHENG Han

(722 Research Institute, CSIC, Wuhan 430205)

An compact integrated antenna is presented in this paper. The antenna contains a dual-band L antenna and a GPS antenna. By inserting a coupled patch to the original L antenna which works in single band, a dual-band L antenna is obtained. This dual-band L antenna has good impedance performance if materials and structure are selected carefully. The radiation patch of GPS antenna is used as the ground of L antenna, thus the height of integrated antenna is reduced. In addition, feed-in network is designed for this antenna to guarantee good circular-polarization performance of it.

antenna, patch antenna, circular-polarization, GPS

2016年10月17日,

2016年11月27日

陆文春,男,硕士,工程师,研究方向:计算电磁学与天线设计。郑成,男,硕士,工程师,研究方向:天线结构设计。聂时振,男,硕士,工程师,研究方向:天线结构设计。曹一,男,硕士,工程师,研究方向:天线结构设计。程晗,男,工程师,研究方向:天线结构设计。

TN820

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.015