楊曉杰，袁家德

　　（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350002）

　　摘要：設(shè)計了一種覆蓋北斗一代發(fā)射L頻段、接收S頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段多頻圓極化微帶天線。天線采用疊層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多頻段的覆蓋，各頻段采用單點饋電的方式，利用輻射貼片切角實現(xiàn)天線的圓極化特性。天線進(jìn)行了仿真設(shè)計、實物制作、指標(biāo)測試和功能測試，結(jié)果表明，該天線工作帶寬、圓極化特性和增益均滿足衛(wèi)星導(dǎo)航終端天線的指標(biāo)要求，能夠應(yīng)用于北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航終端。

　　關(guān)鍵詞：北斗；GPS；導(dǎo)航終端；微帶天線；圓極化

　　0引言

　　全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)為全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，在經(jīng)濟(jì)、交通運輸和軍事領(lǐng)域有著不可替代的重要作用［1］。當(dāng)前，美國的GPS定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用，而中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在近幾年也越來越多地服務(wù)于社會，應(yīng)用普及率正慢慢提高。為了提高定位精度和解決單一系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋空白問題，未來的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)必然采用多種衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)相兼容的模式［23］。

　　天線是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，天線性能的好壞決定著衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)能否正常發(fā)揮其作用和功能［4］。微帶天線具有體積小、重量輕、容易成型和饋電方式多樣化等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航終端中。但是，微帶天線也存在帶寬較窄的缺點，為了使天線能夠覆蓋多個不同的工作頻段，采用多層貼片疊層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)多頻段的覆蓋。疊層結(jié)構(gòu)并不是各層微帶天線簡單的疊加，各層微帶貼片之間會產(chǎn)生電磁干擾作用，從而使天線諧振頻率和軸比等參數(shù)發(fā)生變化［56］。

　　北斗一代導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有有源定位和短報文通信的功能，在導(dǎo)航終端中L頻段作為天線的發(fā)射頻段，其天線輻射左旋圓極化波；S頻段作為天線的接收頻段，其天線輻射右旋圓極化波。北斗二代導(dǎo)航定位系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)都屬于無源定位，北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段都是接收頻段，其天線輻射右旋圓極化波［79］。

　　本文設(shè)計了一種覆蓋北斗一代收發(fā)頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段的圓極化微帶天線，通過有限元電磁仿真軟件進(jìn)行天線的設(shè)計仿真和參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行了實物制作，測試結(jié)果表明，該天線能夠很好地應(yīng)用于導(dǎo)航終端。

1天線設(shè)計

　　本文采用厚度為1.6 mm，介電常數(shù)為4.4的FR4覆銅介質(zhì)板來設(shè)計每一層的天線。天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。底層為北斗二代B1頻段（中心頻點為1.561 GHz）和GPS的L1頻段（中心頻點為1.575 GHz）的天線單元，介質(zhì)邊長為60 mm，貼片邊長為44.9 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為4.8 mm，饋電點距離中心為12.5 mm；中間層為北斗一代L頻段（中心頻點為1.615 68 GHz）天線單元，介質(zhì)邊長為42 mm，貼片邊長為39.7 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為3.5 mm，饋電點距離中心11.8 mm，中間有4條寬度為1 mm的縫隙；頂層為北斗一代S頻段（中心頻點為2.491 75 GHz）的天線單元，介質(zhì)邊長為28 mm，貼片邊長為25.8 mm，切角等腰直角三角形的直角邊為3 mm，中間圓形開槽半徑為5.3 mm，通過長度為5.5 mm的微帶線將饋電點移至中心，來增加L頻段和S頻段天線的隔離度。

　　天線實物如圖2所示，3層天線單元分別通過蝕刻FR4雙面覆銅板來獲得貼片形狀，各層天線的饋電點分別連接50 Ω的MCX接頭，各層通過焊錫進(jìn)行焊接。

2仿真與測試結(jié)果

　　2.1回波損耗

　　回波損耗是指在天線的接頭處的反射功率與入射功率的比值，反映了天線的阻抗匹配特性。圖3為天線回波損耗仿真與測試結(jié)果對比圖，其中實線為仿真曲線，虛線為測試曲線。從圖3(a)可以看出，測試S11曲線與仿真結(jié)果基本吻合，S11小于-10 dB的帶寬為45 MHz(1.554 5 GHz~1.599 5 GHz)，覆蓋B1頻段的工作帶寬1.561 GHz±2 MHz和L1頻段的工作帶寬1.575 GHz±2 MHz。從圖3(b)可以看出，測試S11曲線有一個凸點，但帶寬也基本與仿真的一致，S11小于-10 dB的帶寬為72 MHz(1.568 5 GHz~1.640 5 GHz)，覆蓋L頻段的工作帶寬1.615 68 GHz±4 MHz。從圖3(c)可以看出，測試S11曲線比仿真帶寬略小，S11小于-10 dB的帶寬為54 MHz(2.464 GHz~2.518 GHz)，覆蓋S頻段的工作帶寬2.491 75 GHz±4 MHz。

　　2.2軸比

　　北斗和GPS天線都為圓極化天線，圓極化性能可以通過軸比來衡量，一般認(rèn)為軸比小于3 dB的天線實現(xiàn)了較好的圓極化。圖4為天線軸比的仿真曲線圖，從圖中可以看出B1頻段的中心頻點1.561 GHz處的軸比為2.61 dB，L1頻段的中心頻點1.575 GHz處的軸比為4.58 GHz，L頻段的中心頻點1.615 68 GHz處的軸比為1.39 dB，S頻段的中心頻點2.491 75 GHz處的軸比為2.14 dB。由于單點饋電方式的微帶天線的軸比帶寬相對較小，B1/L1頻段無法同時兼顧軸比小于3 dB，因此設(shè)計的L1中心頻點的軸比盡量接近3 dB。而B1頻段、L頻段、S頻段的軸比都滿足北斗天線的設(shè)計要求。

　　2.3增益

　　天線的增益反映了天線的定向收益程度，天線的增益越高則天線的收發(fā)成功率也就越高。圖5為天線在φ=0°，θ=0°~360°平面上增益方向圖，實線為左旋極化增益，虛線為右旋極化增益。從圖5(a)可以看出，B1頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益為1.78 dB，遠(yuǎn)大于左旋極化增益，B1頻段天線輻射右旋圓極化波；從圖5(b)可以看出，L1頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益為1.09 dB，遠(yuǎn)大于左旋極化增益，L1頻段天線輻射右旋圓極化波；從圖5(c)可以看出，L頻段中心頻點θ=0°方向上的左旋極化增益為1.98 dB，遠(yuǎn)大于右旋極化增益，L頻段天線輻射左旋圓極化波；從圖5(d)可以看出，S頻段中心頻點θ=0°方向上的右旋極化增益2.81 dB，遠(yuǎn)大于左旋極化增益，S頻段天線輻射右旋圓極化波。可見，本文設(shè)計的天線圓極化增益符合導(dǎo)航天線設(shè)計要求。

　　2.4功能測試

　　為驗證本文設(shè)計天線的可行性，對天線進(jìn)行實際功能測試。天線連接北斗/GPS射頻模塊進(jìn)行北斗一代定位測試和通信測試，北斗二代GPS定位測試。圖6為測試設(shè)備圖，圖7為測試結(jié)果圖。北斗一代定位測試成功，通信測　

　　圖7天線測試結(jié)果圖試成功，表明天線能夠用于北斗一代定位和通信；北斗二代和GPS搜星數(shù)分別為4顆和7顆，定位效果良好，表明天線能夠用于北斗二代和GPS定位。

3結(jié)論

　　本文提出了一種應(yīng)用于北斗/GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻圓極化微帶天線，該天線采用疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)北斗一代收發(fā)頻段、北斗二代B1頻段和GPS的L1頻段的覆蓋，天線的仿真結(jié)果和功能測試結(jié)果表明，天線的性能良好，且天線使用較為普遍的FR4介質(zhì)板易于加工，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 張維杰,陳歡,羅靜，等.基于北斗衛(wèi)星的機動衛(wèi)星通信地球站遠(yuǎn)端技術(shù)支援系統(tǒng)研究［J］.微型機與應(yīng)用,2015,34(4):5860,63.

　　［2］ 韓超, 陳麗, 杜黎明，等. 走向應(yīng)用的北斗——回顧第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會［J］. 全球定位系統(tǒng), 2013, 38(2): 8689.

　　［3］ 朱常其,孫希延,紀(jì)元法，等.北斗/GPS雙模射頻接收模組的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2014,40(5):3538.

　　［4］ Sun Chao, Zheng Huili, Zhang Lingfei, et al. A compact frequencyreconfigurable patch antenna for Beidou (COMPASS) navigation system［J］. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2014, 13(5):967970.

　　［5］ 魏景輝, 朱艷玲, 黃朝暉. 一種小型化北斗四頻組合導(dǎo)航天線［J］. 中國新通信, 2014(21):9596.

　　［6］ Pan Zekun, Lin Weixin, Chu Qingxin. Compact widebeam circularlypolarized microstrip antenna with a parasitic ring for CNSS application［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2014, 62(5):28472850.

　　［7］ 于家傲, 姜永金, 李有權(quán),等. 小型化北斗導(dǎo)航圓極化天線研究［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2014, 37(7):7981.

　　［8］ 桂小英, 裴進(jìn)明. 導(dǎo)航終端雙頻圓極化天線的設(shè)計［J］. 安徽工程大學(xué)學(xué)報, 2013, 28(1):5658.

　　［9］ 沙永勝. 一種北斗手持機天線［J］. 電子世界, 2014 (1): 2930.