《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種衛(wèi)星導(dǎo)航終端多頻圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)
2016年微型機(jī)與應(yīng)用第04期
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(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段的覆蓋,,各頻段采用單點(diǎn)饋電的方式,,利用輻射貼片切角實(shí)現(xiàn)天線的圓極化特性,。天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),、實(shí)物制作、指標(biāo)測(cè)試和功能測(cè)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,。
Abstract:
Key words :

  楊曉杰,袁家德

 ?。ǜV荽髮W(xué) 物理與信息工程學(xué)院,,福建 福州 350002)

  摘要:設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段的覆蓋,,各頻段采用單點(diǎn)饋電的方式,利用輻射貼片切角實(shí)現(xiàn)天線的圓極化特性,。天線進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì),、實(shí)物制作、指標(biāo)測(cè)試和功能測(cè)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(shí)服務(wù),,在經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸和軍事領(lǐng)域有著不可替代的重要作用[1],。當(dāng)前,,美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用,而中國(guó)的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在近幾年也越來(lái)越多地服務(wù)于社會(huì),,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(wèn)題,未來(lái)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(diǎn),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(diǎn),為了使天線能夠覆蓋多個(gè)不同的工作頻段,,采用多層貼片疊層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻段的覆蓋,。疊層結(jié)構(gòu)并不是各層微帶天線簡(jiǎn)單的疊加,各層微帶貼片之間會(huì)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(bào)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(wú)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(jì)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(guò)有限元電磁仿真軟件進(jìn)行天線的設(shè)計(jì)仿真和參數(shù)優(yōu)化,,并進(jìn)行了實(shí)物制作,,測(cè)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(jì)

  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(lái)設(shè)計(jì)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(diǎn)為1.561 GHz)和GPS的L1頻段(中心頻點(diǎn)為1.575 GHz)的天線單元,,介質(zhì)邊長(zhǎng)為60 mm,貼片邊長(zhǎng)為44.9 mm,,切角等腰直角三角形的直角邊為4.8 mm,,饋電點(diǎn)距離中心為12.5 mm;中間層為北斗一代L頻段(中心頻點(diǎn)為1.615 68 GHz)天線單元,,介質(zhì)邊長(zhǎng)為42 mm,,貼片邊長(zhǎng)為39.7 mm,切角等腰直角三角形的直角邊為3.5 mm,,饋電點(diǎn)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(diǎn)為2.491 75 GHz)的天線單元,,介質(zhì)邊長(zhǎng)為28 mm,,貼片邊長(zhǎng)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(kāi)槽半徑為5.3 mm,,通過(guò)長(zhǎng)度為5.5 mm的微帶線將饋電點(diǎn)移至中心,來(lái)增加L頻段和S頻段天線的隔離度,。

  

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

 

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2仿真與測(cè)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(cè)試結(jié)果對(duì)比圖,,其中實(shí)線為仿真曲線,,虛線為測(cè)試曲線。從圖3(a)可以看出,,測(cè)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(cè)試S11曲線有一個(gè)凸點(diǎn),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(cè)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,。

  

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  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(guò)軸比來(lái)衡量,一般認(rèn)為軸比小于3 dB的天線實(shí)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(diǎn)1.561 GHz處的軸比為2.61 dB,L1頻段的中心頻點(diǎn)1.575 GHz處的軸比為4.58 GHz,,L頻段的中心頻點(diǎn)1.615 68 GHz處的軸比為1.39 dB,,S頻段的中心頻點(diǎn)2.491 75 GHz處的軸比為2.14 dB。由于單點(diǎn)饋電方式的微帶天線的軸比帶寬相對(duì)較小,,B1/L1頻段無(wú)法同時(shí)兼顧軸比小于3 dB,,因此設(shè)計(jì)的L1中心頻點(diǎn)的軸比盡量接近3 dB。而B(niǎo)1頻段,、L頻段,、S頻段的軸比都滿足北斗天線的設(shè)計(jì)要求。

  

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  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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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,??梢?jiàn),本文設(shè)計(jì)的天線圓極化增益符合導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)要求,。

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  2.4功能測(cè)試

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

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  圖7天線測(cè)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(jì),實(shí)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(cè)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。

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