多频卫星导航接收天线的设计与研究

丁敏 丁涛 魏亚男

摘要：“北斗”系列卫星我国自主研制的导航系统，其主要的工作频点为1.2GHZ、1.57GHZ和2.49GHZ，本文以倒F天线为基本模型，通过在贴片上加载缝隙设计出工作在以上三个频点的天线。在此基础上，将Mushroom型电磁带隙（EBG）作为倒F天线的反射面，通过HFSS仿真比较两种天线的性能，我们发现，后者在方向图、S11参数等方面均得到了改善。

关键词：三频天线;倒F天线;Mushroom;EBG

1 引言

作为我国自主研制的导航系统，“北斗”系列卫星主要的工作频点为1.2GHZ、1.57GHZ、2.49GHZ。面对这些处于不同频段的通信系统，需要采用不同的收发天线，这就为天线系统的集成与融合带来了一定的困难，并且也会让系统的设计成本增加。因此，对多频天线的设计研究具有积极的意义。

然而未来天线的发展方向是小型化、多频段和宽频带，平面倒F天线（PIFA）具有结构紧凑、设计简单的特点，在近年来得到了长足的发展。我们还可以通过开槽加载、销钉加载等方法实现多频化。

Sievenpiper 提出了一种Mushroom 型光子晶体，该晶体结构紧凑，并且制备也较为简单，同时还具备了频率带隙特性和相位反射特性[1]，其是一種非常优越的人工电磁材料。在微带贴片天线、微带线、滤波器以及谐振器等微波领域中有着广泛的应用 [2-3]。

2 分析与设计

2.1 平面倒F天线设计分析

平面倒F天线（PIFA）的结构如下图1所示：

2.1 Mushroom型EBG特性分析

因为其单元结构尺寸远小于波长，所以可以用等效的集总参数模型来描述。

单元结构可以等效为并联LC谐振电路。等效电容C主要来自于相邻金属贴片之间的缝隙边缘电场，该电场是由于顶层金属贴片上引入电流时，电荷在贴片的边缘聚集使得金属贴片之间产生了平行于表面的电压所引起的。相邻贴片之间的正负电荷要中和，因此会沿金属贴片、导电过孔和金属地面流动形成电流，所激发的磁场用电感L表征。这样，该并联LC谐振电路的阻抗可以表示为：

其中，t为基板厚度，w0为贴片宽度，a为周期，g为缝隙宽度。本文的单过孔EBG结构尺寸如下： w0=8mm，g=1.5mm，过孔半径为r=0.7mm。

EBG结构的反射相位能够覆盖从-180度到+180度。这个特性让EBG具有相当特殊的结构。那么要解决的问题就是在什么频段之下，EBG结构可以用于天线的反射面。在文献[4]中提出BEG反射相位在90±45度区间时适用于同时谐振在此频段的天线。

将Mushroom型电磁带隙（EBG）作为倒F天线的反射面的结构如图2所示。

3 仿真结果

3.1 PIFA仿真结果

频率为1.21GHZ时，S11=-11.05dB，频率为1.57GHZ时，S11=-15.95dB，频率为2.5GHZ时，S11=-13.73dB，在各频点均达到了很好的谐振效果。

3.2 将EBG作为反射面PIFA仿真结果

频率为1.21GHZ时，S11=-15.21dB，频率为1.57GHZ时，S11=-22.69dB，频率为2.5GHZ时，S11=-26.23dB，均达到了很好的谐振效果。与未加EBG反射面的PIFA比起来，S11有了很大的改善。另外，降低了天线剖面，利于天线的小型化设计。

4. 结论

本文中给出了一种基于倒F天线三频卫星接收天线的设计方法，即在倒F天线的基础上，通过在贴片上开槽的方法来增加频点。设计出三频天线后，对加了Mushroom型EBG反射面的PIFA进行了仿真，从仿真结果可以看出，三个频点的S11参数得到了极大的改善。

参考文献：

[1]V. Radisic，Y. Qian，and T Itoh. Broadband power amplifier using dielectric photonic bandgap structure，IEEE Microwave and Guided Wave Lett.，vol.8，no.1，pp.13-14，Jan. 1998.

[2]IEEE Std 145-1983，IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas[S]. New York：The Institute of Electrical and Electronics Engineers，1983.

[3]周朝栋，王元坤，杨恩耀. 天线与天波[M]. 西安：西安电子科技出版社，1999

[4]Fan Yang，Yahya Rahmat-Samii. Reflection Phase Characterizations of the EBG Ground Plane for Low Profile Wire Antenna Applications.[J]IEEE Transactions on antennas and propagation，October 2003，vol. 51，no. 10.