应用于GNSS终端的宽带扁平状双频圆极化微带天线

林 飞，李晓鹏，李成钢，蔡惠萍，陈澍锴

（1.广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东 广州 511400；2.广州市中海达测绘仪器有限公司，广东 广州 511400）

0 引 言

随着全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）应用服务领域的广泛深入，GNSS系统将与其他技术和系统进行跨界融合，这将使GNSS天线在设备内部的安装空间越来越小。微带天线因具有体积小、剖面低、质量轻、制作成本低、易于集成和加工、馈电方式灵活以及容易实现圆极化等优点，在高精度导航定位领域得到了广泛应用[1]。目前，GNSS双频圆极化天线通过使用高介电电介质基板加载、短路加载以及电抗加载等技术实现了小型化设计，但这些天线的工作带宽较窄，存在不能完全覆盖GNSS全频段的问题[2-6]。当前国内外天线研究者通过采用较厚的介质基板，在一定程度上拓展了天线工作带宽，但随着天线介质基板厚度的增加容易产生严重的表面波，干扰天线并降低天线的辐射效率[7]。文献[8]通过加载寄生单元产生一个新的谐振工作频点，通过多谐振拓宽天线工作带宽，但使得天线尺寸较大。本文设计了一种应用于GNSS终端的新型宽带扁平状双频圆极化微带天线，通过在天线单元外围设置短路振子，可有效提升天线工作带宽、辐射增益以及圆极化特性等性能指标，并且在一定程度内进一步缩小天线尺寸，实现天线的紧凑式轻量化设计。

1 理论分析和结构设计

1.1 理论分析

天线的对称性是影响天线相位中心稳定性的重要因素，因此本文以圆形微带天线为基础进行设计[9]。圆形贴片天线大小的理论公式如下：

式中，r为圆形贴片半径；fr为工作频率；εr为相对介电常数；h为基板厚度。

天线馈电点的位置可由公式粗略估算，然后通过软件仿真进行优化设计[10]。给出输入电阻与馈点位置的关系如下：

式中，R为电阻；a为天线馈点距离中心点位置；h0为天线与接地板的距离；E0为平均电场强度；P为辐射功率。

1.2 结构设计

天线结构俯视图如图1所示，该天线采用层叠结构，由上、下两层贴片构成，上层圆形贴片为高频天线辐射单元，下层浅盘形贴片为低频天线辐射单元。为了方便调整实物样品的谐振频率，高低频天线辐射单元上分别增加了对称的矩形调谐枝节。为了提高天线的辐射增益和工作带宽，设置了环绕天线外边缘沿天线周向均匀分布的接地短路金属柱，即短路加载阵子。同时，为了获得良好的圆极化特性，确保天线的相位中心更加稳定可靠，高低频天线单元分别采用均匀对称分布的4馈点馈电。4个馈电点的输入信号幅值相等，相邻馈点间相位差值为90°。天线的介质基板由低密度低损耗高性能的PPO材料制作而成，本样机采用材料的介电常数为4，损耗正切角为0.001，上层贴片半径为22.5 mm，下层贴片半径为28.5 mm，上层基片尺寸为50 mm×50 mm×4 mm，下层基片尺寸为75 mm×75 mm×8 mm。

图1 天线结构俯视图

2 仿真与实测分析

本文采用专业电磁仿真软件对天线模型进行仿真优化，并使用优化后的结构参数将天线制作实物样品，如图2所示。

图2 天线实物图

图3为实测的驻波比随频率变化曲线，在整个测试频段1～1.8 GHz内，天线的驻波比均小于2，说明该天线具有良好的阻抗匹配特性。图4所示为天线轴比随频率变化曲线，在整个测试频段，天线的轴比均小于1，说明天线的圆极化性能好。

图3 天线实测驻波比随频率变化曲线

图4 天线仿真与实测的轴比随频率变化曲线

图5为天线仿真与实测的增益随频率变化的曲线。从图中可知，天线实测与仿真的增益曲线基本吻合。在低频段1.166～1.279 GHz内，天线仿真增益均大于1.4 dBi，最大增益为4.32 dBi，天线实测增益均大于1.8 dBi，最大增益为4.82 dBi。在高频段1.525～1.607 GHz内，天线仿真增益均大于2.2 dBi，最大增益为4.97 dBi，天线实测增益均大于3.4 dBi，最大增益达到5.38 dBi。由此可见，天线具有较高的辐射增益和较宽的工作带宽。

图5 天线仿真与实测的增益随频率变化

图6为天线在1.227 GHz和1.575 GHz仿真和实测的轴比随θ角度变化曲线，可以看出，天线仿真与实测的曲线基本吻合。在θ=0°,AR均低于3 dB，但天线实测轴略大于仿真轴比，这是由实测误差造成的。在1.227 GHz，天线仿真的3 dB轴比波束带宽约为130°，天线实测的3 dB轴比波束带宽约为180°，在1.575 GHz，天线仿真的3 dB轴比波束带宽约为160°，天线实测的3 dB轴比波束带宽约为200°。在天线高频段和低频段，实测天线3 dB轴比波束带宽均大于仿真的3 dB轴比波束带宽，可见该天线具有较好的圆极化特性，接收信号的方位角度更宽，使得天线低仰角卫星信号的接收性能和抗多径性能更加优异。

图6 低频天线单元和高频天线单元仿真与实测轴比曲线

图7为天线在1.227 GHz和1.575 GHz仿真和实测的2D增益方向图。由图可看出，天线实测与仿真增益曲线比较吻合。在1.227 GHz，天线天顶角（θ=0°）的仿真与实测右旋增益值分别为4.07 dBi和4.75 dBi，低仰角（θ=90°）的仿真与实测右旋增益值分别为-3.05 dBi和-2.09 dBi；在1.575 GHz，天线天顶角（θ=0°）的仿真与实测右旋增益值分别为4.82 dBi和4.77 dBi，低仰角（θ=90°）的仿真与实测右旋增益值分别为-3.86 dBi和-3.17 dBi。仿真与实测结果可以看出，天线具有较高的低仰角右旋增益值，进而可有效保障天线配套接收机终端的低仰角搜星性能更加优异。

图7 低频天线单元和高频天线单元仿真与实测增益

3 结 论

本文设计了一款应用于GNSS终端的宽带扁平状双频圆极化微带天线，天线采用双层微带贴片结构和4馈点馈电方式，保证了天线相位中心稳定性和圆极化特性，提高了配套终端的测量精度。通过在天线辐射单元外围边缘沿周向设置接地短路金属柱，大幅提升了天线的辐射增益和工作带宽。实测结果显示，天线在高低频双频段内均拥有较高的辐射增益以及较宽的增益带宽和波束带宽，满足覆盖4大卫星导航系统的全部卫星工作频点。因此，本文设计天线能够较好地配套应用于多系统卫星导航定位和高精度测量等领域。