低仰角高增益北斗陶瓷天线的设计

褚涛，王安玖，王学杰，秦洁，李邵华，吴著刚

(1.贵州振华红云电子有限公司，贵州 贵阳 550018; 2.贵州振华电子信息产业技术研究有限公司，贵州 贵阳 550018)

0 引言

全球卫星导航系统可以提供全天候、全天时、高精度的定位、导航、授时等服务，被广泛应用于航空、陆地车载、空间引导和海事等各个领域[1]。目前世界有四大卫星导航系统，分别是美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗卫星全球导航系统（BDS）[2],而BDS具有独有的短报文通信功能，使其在国际搜救，精密单点定位方面有独一无二的优势[3]。目前，北斗三号卫星已经完成建设，将提供全球范围内的服务。

目前，国内关于北斗天线的宽轴比波束宽度和低剖面方面都进行了很多研究，如BIAN等利用L形探针进行馈电，在宽角度范围内展宽了3dB轴比带宽[4]；Park等研究了在展宽半功率波束宽度的前提下，降低天线的尺寸[5]；Zhang等设计了单馈点高增益宽轴比波束宽度的微带贴片天线，但带宽需要提高[6]；谢等设计了小型宽轴比波束宽度的微带天线，但增益需要进一步提高[7]；张等设计了一种新型宽带高增益多模导航天线，在其主辐射方向上有较高的增益[8]；Parameswaran等用超材料设计制作了宽带宽的微带贴片天线，其带宽有1.9%提高到了31.78%[9]；卫等[10]设计了双层圆形微带贴片天线，其阻抗带宽和3dB波束带宽均有很大提高，朱等[11]设计了一款抗干扰阵列天线，得到了很好的应用。

但是，现有资料对微带贴片天线在不同仰角下增益改善研究较少，因此，本文通过对比了方形贴片和多枝节辐射贴片之间的性能参数，设计了一款工作在北斗B3频率的微带贴片陶瓷天线，其在低仰角下有高功率增益，以满足特殊领域的应用。

1 圆极化贴片陶瓷天线设计

北斗陶瓷天线工作原理是利用北斗卫星来实现导航定位的，通过用户的接收机来提取卫星信号中的伪随机噪声码和数据码，以进一步解算得到接收机载体的位置、速度和时间(PVT)等导航信息，现在主要使用的是微带线馈电陶瓷天线和同轴线馈电陶瓷天线。

本文设计了1款同轴线馈电陶瓷天线，按照传输线模型进行分析，采用单馈法进行馈电，在方形辐射贴片的对角引入切角形成90°相位差，从而实现现圆极化。设计采用介电常数εr=19.7的微波介质陶瓷进行微带天线的制作，对于工作在北斗B3中心频率f0=1268MHz的矩形微带天线，其辐射贴片宽度w用如下公式进行计算：

式中，c是光速。

辐射贴片的长度为L为：

式中，ΔL是由于边缘缩短效应的影响而等效的辐射缝隙长度，εe是有效介电常数，分别由如下公式计算：

综合天线的参数指标及实际应用要求，以上述计算得出微带天线的部分参数及变量，确定微带天线的设计尺寸为35mm×35mm×5.5mm，为了便于安装，将其中一角设为圆角。为了对比普通方形切角辐射贴片与多枝节辐射贴片对天线不同仰角下增益的影响，特设计两个模型，如图1所示，并做了仿真对比。多枝节辐射贴片主要是通过增加了寄生单元，于寄生单元引入新的谐振频率，当寄生单元的谐振频率和激励单元的谐振频率接近时，可以在天线的轴比曲线中观察到多个谐振点，继而天线的圆极化带宽得到了展宽[11-12]，并改善天线的方向图，使其在低仰角下获得较高的增益。

图 1 天线模型及几何参数

该天线采用同轴线馈电，馈电点位于贴片的中心偏下3.5mm处，(a)模型设计为多枝节辐射贴片，并进行切角实现圆极化，(b)模型设计为方形切角辐射贴片，并且采用银电极将其印刷在相对介电常数为19.7、损耗角正切值为0.0005、尺寸大小为35mm×35mm×5.5mm的陶瓷基板上。

通过电磁仿真软件HFSS对天线进行仿真设计，优化后的天线参数如表1所示。

表1 天线的结构参数（单位：mm）

2 仿真结果分析

2.1 S11曲线分析

天线阻抗特性曲线的仿真结果如图2所示：

从图2可以看出，两种设计天线的中心频率均为1268MHz，满足北斗B3天线的使用要求，多枝节辐射贴片设计天线的回波损耗S11≤-10dB的带宽大于方形切角贴片设计，分别为(a):1254-1286MHz，(b):1254-1282MHz，其绝对带宽分别为32MHz和28MHz，可见，在保证中心频率不变的情况下，通过多枝节辐射贴片，增加了寄生单元，引入新的谐振频率，使之产生耦合，拓宽了天线的带宽。

图 2 两种设计天线的S11曲线：(a)多枝节辐射贴片,(b)方形切角贴片

2.2 天线驻波比曲线分析

天线驻波比特性曲线的仿真结果如图3所示：

图3 两种设计天线的驻波比曲线：(a)多枝节辐射贴片,(b)方形切角贴片

从图3可以看出，两种设计天线的驻波比均较低，在1268MHz的时候分别为1.18和1.05，多枝节辐射贴片天线的驻波比较高，但从图也可以看出，多枝节辐射贴片设计天线驻波比底部较为平稳，在驻波比小于1.5的范围内，多枝节辐射贴片设计频率范围为1259-1282MHz，而方形切角贴片设计频率范围为1258-1278MHz。

2.3 天线轴比曲线分析

天线轴比特性曲线的仿真结果如图4所示：

图4 两种设计天线的轴比曲线：(a)多枝节辐射贴片,(b)方形切角贴片

从图4可以看出，两种设计天线的轴比均较低，在0°方向上，多枝节辐射贴片设计的天线轴比为1.07dB，在E平面上θ为-100°-100°时小于3dB；而方形切角贴片天线的轴比为1.06dB，在E平面上θ为-100°-100°时小于3dB，两种设计轴比的重合性较高。

2.4 天线增益曲线分析

天线增益特性曲线的仿真结果如图5和表2所示：

表2 两种天线在不同仰角下的增益

图5两种设计天线的增益曲线：(a)多枝节辐射贴片,(b)方形切角贴片

从图5可以看出，天线的增益及圆极化性能良好，在1268MHz的频率下，多枝节辐射贴片设计天线的增益最大值为4.71dBic，略高于方形切角贴片设计天线的增益4.57dBic，而且多枝节辐射贴片设计天线的尾瓣较小，这也是其0°增益大于方形切角贴片设计天线的原因。从表3可以看出，在E平面上不同的θ角下，多枝节辐射贴片设计的增益同样略高，尤其是在低仰角下（70°和-70°），多枝节辐射贴片设计天线比方形切角贴片设计天线有很大的优势，其总体增益高了0.2dBic左右。同时本设计天线增益为-0.67dBic@θ=-70°，大于朱艳玲等[13]的设计-1.4dBic@θ=60°，在低仰角下有较大的增益，满足使用要求。

表3 与其他北斗B3微带天线设计参数对比

从表3可知，本文研究的微带天线在北斗B3频段的最高增益及低仰角下增益都有很大的优势，文献[18]所示的天线增益较高是因为天线的尺寸更大（R=48mm，H=30mm），并且加了金属铜套，增加了其顶点增益。

3 天线实物制作及与仿真结果对比

根据以上仿真结果分析可知，多枝节辐射贴片设计陶瓷天线有较好的性能，因此，按此制作了天线的实物，照片如图6所示。

图6 天线实物图

此天线测的中心频率为1268MHz，其他参数测试与仿真结果对比如表4所示。

表4 多枝节辐射贴片天线仿真与实测参数对比

从表4可以看出，天线在低仰角下的增益和仿真结果对比有一定的差距，这主要有2个原因：1、可能是天线在加工过程中的误差导致；2、可能是陶瓷材料在烧结过程中的不致密性造成的，本设计时所用的微波介质陶瓷的损耗为0.0005，实际在陶瓷成型及烧结过程中陶瓷的损耗增大，达到0.001左右，使最终天线的性能变差，后续需要在原材料方面进行进一步研发。

4 结论

针对我国BDS系统B3天线的频段需求，设计了尺寸为35mm×35mm×5.5mm的北斗陶瓷天线，，研究了不同贴片结构对北斗天线参数的影响，发现多枝节辐射贴片设计的天线带宽和增益要略高于方形贴片，其他参数相差不大。最终设计出中心频率在1268MHz，带宽32MHz，驻波比1.18，轴比1.07dB，增益4.71dBic@θ=0°、2.72dBic@θ=40°和-0.87dBic@θ=70°的北斗陶瓷天线，并参照仿真设计制作了天线实物，对比了其性能。但本设计由于所用微波介质陶瓷材料的参数局限性，限制了陶瓷天线的尺寸及参数性能，以后还有改进的空间，而且微带陶瓷天线发展方向是高性能小型化，随着陶瓷材料技术水平的进步，必然会产生更多优秀的天线设计。

此天线在低仰角下有较大的增益，能满足多种地形条件下北斗接收设备的需求，而随着北斗卫星导航系统 的快速发展以及对天线的小型化多频段的要求，本文设计的北斗卫星天线具有广阔的应用前景。