一种新型低剖面双频微带导航天线

张艳梅,李 峰,吴婵娟,丁 静

(北京自动化控制设备研究所,北京 100074)

一种新型低剖面双频微带导航天线

张艳梅,李 峰,吴婵娟,丁 静

(北京自动化控制设备研究所,北京 100074)

设计了一种可以同时工作在BD2 B3与GPS L1频段的低剖面微带导航天线,采用多调谐回路技术实现了天线双频工作。该天线方便调试与实现,可以应用于要求天线剖面较低的载体。

寄生贴片；调谐回路；低剖面；导航系统；微带

0 引言

微带天线因为体积小、质量小、低剖面的优点被现代移动通信技术以及作战系统所追捧,但是随着多频段的要求越来越多,单层微带贴片天线频带较窄的缺点限制了其应用[1]。文献[2-5]中,依靠叠层或者多层介质板来实现多频段工作,严重削弱了微带天线剖面低这一优点,因为叠层势必增加微带天线的高度。近几年,很多技术人员对微带天线的多频段工作做了很多的努力,包括厚基板法[6-7]、寄生元法[8]、叠层法[9]等,但这些方法都无一例外地增加了天线的高度,并没有在低剖面方面达到理想的效果。因此,运用新的设计方法来实现微带天线多频工作的问题变得非常迫切。

本文研究通过寄生贴片产生双频段的工作特性,但是与文献[8]不同之处在于其在一层介质基板上同时实现2个常用的导航频段,大大降低了天线的整体高度,达到了微带天线真正的多频低剖面的效果,能够更加广泛地应用到对高度要求严苛的情况中。

本文采用的寄生贴片法属于一种调谐回路。微带天线是一种谐振式工作的天线,依靠微带天线贴片和金属基板之间的谐振,工作在特定的工作频点。根据微带的空腔模型法理论可以得知,微带天线贴片和寄生贴片可以等效为一个RLC并联谐振电路。通过调整微带天线贴片和寄生贴片之间的耦合度,可以在该并联谐振电路中出现双调谐峰,即微带天线的2个工作频段,从而使微带天线的带宽得到扩展。如图1所示,调整寄生单元的外形尺寸及其与馈电单元之间的距离,可以出现2个不同的工作频率,实现常用导航频段的工作特性,该结构可以实现约10%的阻抗带宽[10]。

图1 共面寄生贴片Fig.1 Coplanar parasitic patch

1 天线建模

1.1 微带天线原理

根据微带天线理论[11],贴片单元宽度w的尺寸直接影响着微带天线的方向性函数、辐射阻抗及输入阻抗。考虑到要兼顾辐射效率和避免产生高次模,通常要求宽度w满足式(1)的要求

(1)

1.2 天线建模

由式(1)初步计算,中心贴片的辐射在εr=6.0的情况下,边长w=47,天线结构如图2所示。采用单层介质,最上层是贴片,中心贴片的边长为w,四周寄生贴片的长为L1,宽为W1。中间层为微波复合介质板,采用国产泰州旺灵的TP-2板材,其介电常数为6.0,厚度为h,最下层为天线的金属基板。

(a)俯视图(a) Top view

(b)侧视图(b) Side view图2 天线结构Fig.2 Antenna geometry

微带天线圆极化的实现方法主要有单馈微扰法、多馈法、多元法以及多阵元法[12-14],本设计采用多馈法中的正交90°馈电方法,在中心贴片通过2个幅度相等相位相差90°的馈电点馈电,实现导航天线的右旋圆极化[15-16],在保证工作带宽的情况下尽量做到结构简单,可实现性高。

2 仿真分析

在设计天线时,要考虑接地板的大小,采用合理的接地板尺寸能够得到更好的天线性能,本文设计的天线接地板大小为某型导航天线的接地板尺寸,为两款天线实物的性能比较做准备。采用同轴线馈电方式。因为馈电点位置的改变能够改变天线的输入阻抗,从而可以实现频率的轻度调谐,所以适当调整天线的馈电点位置能够使天线有较好的阻抗匹配。本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真软件进行建模仿真,中间贴片的边长w确定了该天线的一个工作频点BD2 B3的1268.52MHz。边长w越长,频点越向低频偏移,w越短,频点越向高频偏移,四周寄生贴片的长L1和宽W1确定了寄生频点的GPS L1。通过进一步仿真和优化确定下来的尺寸为w=45mm,L1=44.8mm,W1=6mm, 图3所示为软件中的仿真模型。

图3 天线仿真模型Fig.3 The simulated antenna model

图4～图9给出了该仿真模型的仿真性能曲线。

图4中,为从2个馈电点分别仿真出该天线的反射系数,可以看出,2个馈电点激励的天线贴片都能很好地工作在BD2 B3的工作频点,天线的反射系数S11小于-10dB。

图5中,在BD2 B3频点,该天线的顶向增益为5.4dB。图6中,该天线的上半平面为分布均匀的圆形,为全向天线,满足导航天线对天线方向图的要求。

图7中,从2个馈电点分别仿真出该天线的反射系数,可以看出,2个馈电点激励的天线贴片都能很好地工作在GPS L1的工作频点,天线的反射系数S11小于-10dB。

图8中,在GPS L1频点,该天线的顶向增益为3.3dB。图9中,该天线的上半平面为分布均匀的圆形,为全向天线,满足导航天线对天线方向图的要求。

图4 BD2 B3的工作频点反射系数Fig.4 The return loss for the antenna at BD2 B3

图5 BD2 B3的E面方向图Fig.5 The radiation pattern for the antenna at BD2 B3

图6 BD2 B3的三维立体方向图Fig.6 The 3D radiation pattern for the antenna at BD2 B3

图7 GPS L1的工作频点反射系数Fig.7 The return loss for the antenna at GPS L1

图8 GPS L1的E面方向图Fig.8 The radiation pattern for the antenna at GPS L1

图9 GPS L1的三维立体方向图Fig.9 The 3D radiation pattern for the antenna at GPS L1

3 实物制作

用HFSS 13.0进行仿真分析后,对该模型进行加工,并与某型导航天线进行了室外收星实验对比,与某型导航天线的BD2 B3频点以及GPS L1频点定位的经纬高精度水平相当,详见图10及图11。

图10 加工实物图Fig.10 Processing real figure

图11 实物装配图Fig.11 The prototype for the antenna

实物制作中,因为存在板材的厚度以及板材本身介电常数的误差,会导致天线实际工作频点偏离设计频点,通过对贴片以及寄生贴片的切割可以实现频率校正,使之与设计值匹配。图12、图13所示为使用矢量网络分析仪E5061B测量的该天线实物的反射系数,从图12可以看出,原天线贴片在未经调试时,工作频点为1.270GHz,通过切割天线贴片表面的敷铜层图形,将该天线的工作频点调试为1.26852GHz。

图12 实物天线在BD2 B3频点的反射系数Fig.12 Measured return loss for the antenna at BD2 B3

图13 实物天线在GPS L1频点的反射系数Fig.13 Measured return loss for the antenna at GPS L1

图14中,左边为某型BD2 B3和GPSL1双频导航天线,右边为本文研究设计的低剖面双频导航天线,通过对比可以看出,在不改变天线安装形式的情况下,天线高度减少至少一个天线贴片的厚度4mm,该设计中的天线能够应用在对高度要求更加苛刻的环境中。

图14 两款天线的对比图Fig.14 Contrast of two antenna

4 结论

随着通信技术的发展, 对低剖面多频带天线的需求将会越来越多。本文设计的低剖面双频微带导航天线简化了天线结构,大大降低了天线的高度,能够更加灵活地应用于多频段的导航系统中。

[1] 薛虞锋,钟顺时. 微带天线圆极化技术概述与进展[J]. 电波科学学报,2002,17(4)：331-336.

[2] 马小玲,丁丁. 宽频带微带天线技术及其应用[M]. 北京：人民邮电出版社,2006.

[3] 付永庆,柯林,王玉峰. 三层宽频带微带天线的设计[J]. 弹箭与制导学报,2006,26(4)：304-306.

[4] 童芸,张杰,李春晓,等. 宽带U型槽矩形贴片微带天线设计[J]. 微波学报,2008,24(4)：41-44.

[5] Janapsatya J, Esselle K P. Multi-band WLAN antennas based on the principle of duality[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 2006: 2679-2682.

[6] Long S A, Walton M D. A dual-frequency stacked circular-disk antenna[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagate, 1979,27(2):270-273.

[7] Chen W S, Chang Y C, Chen H T. Novel design of printed monopole antenna for WLAN/WiMAX applications[C]//Antennas and Propagation International Symposium. IEEE, 2007: 3281-3284.

[8] Park D H, Kwak Y S. Design multi-band microstrip patch antennas for wireless terminals[C]//Future Generation Communication and Networking.IEEE Computer Society, 2007: 439-441.

[9] Sheta A F, Mohra A S, Mahmoud S F. Modified compact H-shaped micro-strip antenna for tuning multi-band operation[C]. National Radio Science Conference. IEEE Xplore, 2008: 1-6.

[10] 倪国旗. 介质埋藏微带天线[M]. 北京：国防工业出版社,2012.

[11] 林昌禄.天线工程手册[M]. 北京：电子工业出版社,2002.

[12] 朱莉,高向军,梁建刚. 宽带圆极化微带天线的几种实现方法[J]. 现代电子技术,2007,30(23)：82-84.

[13] 商锋,王保平. GPS圆极化微带天线的研究[J]. 弹箭与制导学报,2009,29(3)：193-194.

[14] 韩庆文,易念学,李忠诚,等. 圆极化微带天线的设计与实现[J]. 重庆大学学报,2004,27(4)：57-60.

[15] 王玉峰,林鑫超,何帅,等. 一种双频双圆极化微带天线的设计[J]. 微波学报,2010(S1):188-190.

[16] 刘永鑫,侯雷,胡永辉. 右旋圆极化微带天线的设计与实现—基于北斗卫星导航系统[C]//中国卫星导航学术年会电子,2012.

A New Low Profile Dual-frequency Micro-strip Antenna for Navigation System

ZHANY Yan-mei, LI Feng, WU Chan-juan, DING Jing

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

A new low profile micro-strip antenna which is able to work at BD2 B3 and GPS L1 for navigation system is designed. By using of multi-tuning loop,dual-frequency operation of antenna which is easy to adjust and implement is achieved. The proposed antenna can be used on various platforms which has more requirements of low profile antenna.

Parasitic patch; Tuning loop; Low profile; Navigation system; Micro-strip

2016-12-17；

2017-01-18

张艳梅(1984-)女,硕士,中级工程师,主要从事导航天线方面的研究。E-mail: zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.02.010

U666.12

A

2095-8110(2017)02-0053-05