一种面向导航应用的电容耦合四点馈电的宽带双层微带天线*

王 超，艾永强，张振杰，郑 伟，杨文丽

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着社会和科学技术的不断发展，全球卫星导航系统(GNSS)以其全球性、全能性、 全天候性的导航定位、定时、测速优势在社会生活和经济中扮演着越来越重要的角色。目前建成的GNSS包括BEIDOU、GPS、GALILEO、GLONASS四大全球卫星导航系统。上述GNSS已经成功应用于导航、定位、授时和测速等场景中。单一的卫星导航系统的卫星数目较少，卫星少则导致信号在空间内的覆盖范围有限，即单一的卫星导航系统提供的服务精度将降低，因此能够接收不同导航系统信号的多模用户终端，因为其更灵活的导航定位功能以及根据实际需求选取不同卫星导航信号的优势具有更广泛的应用前景。

能够接收多种不同卫星导航系统信号的天线即为多模天线，高性能的多模卫星导航天线是多模用户终端的关键组成部分[1-2]。多模卫星导航天线要求能够覆盖四大卫星导航系统模式。经过分析，1.1 GHz～1.6 GHz频段可以覆盖四大导航系统的导航频段。微带天线以其低剖面、低成本、易共形以及易于加工等优点被广泛应用于无线通信系统中，然而常规微带天线因为带宽较窄而无法得到更广泛的应用。通常可以采用层叠耦合[3-7]、贴片开槽[8-13]、L形探针耦合[14-15]、缝隙耦合多馈电[16-17]等多种方法展宽天线带宽，但是都很难兼顾宽带和圆极化性能。本文提出了一种电容耦合四点馈电的宽带双层微带天线，实现了满足工作频段覆盖四大卫星导航系统的性能要求。

1 天线单元设计

天线单元采用双层空气微带天线形式，在1.1 GHz～1.6 GHz频带内实现双频工作，天线单元的截面结构示意图如图1所示。利用TM01模微带贴片设计经验公式，计算得到天线单元工作于F1(1.176 GHz)和F2 (1.575 GHz)频点时的双层微带直径及空气层高度。使用仿真软件对天线单元进行建模仿真分析，将理论值作为初始值进行迭代优化，最终使双层空气微带分别谐振在F1和F2两个频点附近。同时，在馈电探针顶端使用“凹型”结构对微带贴片进行电容耦合馈电，通过优化结构尺寸参数(H4、D4、D5)来改变“凹形”结构电容特性，使天线单元在F1和F2之间F3(1.41 GHz)频点处增加一个谐振点，进一步达到展宽带宽的目的。

同时使用四点馈电技术进一步展宽天线带宽，利用4个在空间和相位依次相差90°的信号激励，实现很好的圆极化性能、方向图的旋转对称性和相位中心的稳定性。反射杯还可进一步地改善方向图等化性能，减少后瓣辐射和展宽天线波束宽度。

利用仿真软件对天线的电性能进行优化设计，仿真得到的天线尺寸如表1所列。天线的驻波比曲线如图2所示，典型频点的增益方向图如图3所示。

图1 天线单元截面结构示意图

天线整体尺寸D1D2D3D4D5H1H2H3H4Φ150×56150102.27464.85621254.1

图2 天线驻波比曲线

(a) 1 176.45 MHz(L5、E5a、B2)

(b) 1 268.52 MHz(B3)

(c) 1 575.42 MHz(L1)

2 网络设计

要提高天线的圆极化特性和圆极化带宽，需要在宽带范围内，实现对四个馈电点依次提供0°，90°，180°和270°的相位和相同的幅度。为了实现天线的小型化、集成化和低剖面设计，馈电网络采用双层微带结构，由Wilkinson功分器和Schiffman移相器构成。下层网络由第一级功分器和第一级180°移相器构成，上层网络为第二级功分器和后一级两个90°移相器，两层网络通过同轴线相连。三个Wilkinson功分器提供等幅激励，一级180°移相器和二级90°移相器实现四个网络输出口相位依次相差90°。

经过仿真，得到网络各个端口的驻波比曲线如图4所示，图5为频段内四个输出端口的相位特性。

图4 馈电网络驻波比及功分特性曲线

图5 网络相位特性

3 天线设计结果

在仿真软件中，天线和馈电网络集成后的模型如图6所示，天线整体尺寸为Φ150 mm*93 mm，对集成后天线整体进行了仿真验证。图7为1.1 GHz～1.6 GHz频段内天线的电压驻波比结果，结果显示在1.1 GHz～1.6 GHz频段内天线的电压驻波比小于1.4，满足天线的设计指标要求。

图8为天线在典型频点上八个切面的增益和轴比方向图。从图中可以看出，天线在0°处增益均大于6 dBi，且在±70°的范围内，天线增益均大于-2.5 dBi，方向图旋转对称性好。在±70°范围内，天线轴比均小于3 dB，天线圆极化特性好。且因为应用了四点馈电设计，天线的相位中心稳定度较好。

图6 天线整体模型

图7 天线整机驻波比曲线

(a) 1 176.45 MHz(L5、E5a、B2)

(b) 1 268.52 MHz(B3)

(c) 1 575.42 MHz(L1)

4 结论

本文设计了一种电容耦合四点馈电的宽带双层微带天线，该天线工作频段覆盖1.1 GHz～1.6 GHz四大卫星导航系统频段，天线采用双层微带结构，通过“凹形”结构进行电容耦合四点馈电，带反射腔的双层空气微带天线与双层宽带馈电网络集成设计实现天线的低剖面、小型化特性，同时该天线在工作频段内的性能均满足电性能指标。在工作频段内，天线电压驻波比小于1.4，0°增益大于6 dBi，±70°增益大于-2.5 dBi，±70°内轴比小于3 dB，均满足设计要求，可以很好地应用于地面多模用户终端。