王麗黎1，馬杰2,，董培1
?。?.西安理工大學(xué) 自動化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048,；2.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院,，廣東 廣州 510641）
摘要：設(shè)計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線和一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現(xiàn)磁負特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。對單頻天線接地板加載兩個超材料結(jié)構(gòu)單元,，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz,。其中，較高的諧振頻率是由天線自身產(chǎn)生,，較低諧振頻率是由超材料結(jié)構(gòu)單元的加入激發(fā)產(chǎn)生。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊,、頻帶寬,、體積小、易于加工等特點,。單頻天線加工了實物,，仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致。
關(guān)鍵詞：雙頻段,；超材料,；衛(wèi)星導(dǎo)航
中圖分類號：N945.12文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.008
引用格式：王麗黎，馬杰,，董培.一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（5）：24-26.
0引言
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指為地面,、海洋、空間及太空的各種載體提供位置,、速度等信息服務(wù)的專業(yè)系統(tǒng),，可實現(xiàn)對目標的定位、導(dǎo)航和管理,，已經(jīng)在軍事和民用等不同領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用,，成為不可或缺的無線電應(yīng)用技術(shù)。目前,，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)包括美國的GPS,、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國的BDS 1/2,。其中,，GPS和GLONASS已經(jīng)覆蓋全球。北斗一代可以同時提供導(dǎo)航和通信服務(wù),，并且在中國已經(jīng)成功應(yīng)用,；2012年，北斗二代向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù),。隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,，可以接收多個頻率信號的衛(wèi)星接收天線得到了廣泛的關(guān)注。導(dǎo)航衛(wèi)星信號要求導(dǎo)航終端天線具有良好的右旋圓極化特性［1］,。為了滿足各種需求,，寬帶、多頻段,、小型化等不同性能的天線成為了主流趨勢,。
微帶天線具有剖面低、重量輕,、成本低和容易集成等特點,。隨著科技的發(fā)展，多頻段天線已經(jīng)成為了研究的熱點,。然而大多數(shù)天線只能覆蓋單個頻段［2 5］,。參考文獻［3］中提出的天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1,、BDS-2 B1和B3頻段,。但是，該天線尺寸大,、厚度厚,，而且有較復(fù)雜的饋電網(wǎng)。同時，文獻中給出的天線設(shè)計多考慮天線自身的電性能實現(xiàn),，對結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計及不同載體的要求卻很少顧及,，如天線的載體限制尺寸等。
超材料(Metamaterials)是一類具有自然界中材料所不具備的超長物理性質(zhì)的等效均勻人工復(fù)合結(jié)構(gòu)（復(fù)合材料）［6］,。超材料是由人工構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)組成的,，以等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率描述其整體電磁特性,。為了方便介紹,，本文把磁導(dǎo)率設(shè)為橫坐標，介電常數(shù)設(shè)為縱坐標,，理論上存在的媒質(zhì)空間按磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的正負關(guān)系劃分在4個象限中［7］,，如圖1所示。
1天線設(shè)計
1.1單頻天線的設(shè)計
本文設(shè)計的單頻天線工作在1.575 GHz（GPS L1）頻段,，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示,。輻射貼片的切角是為實現(xiàn)圓極化輻射，調(diào)整貼片尺寸可以改變天線的工作頻率,。天線介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65,、厚度為3 mm，接地板尺寸為76 mm×76 mm,，貼片大小為56 mm×56 mm,，貼片對角處切掉兩個等腰三角形，這兩個等腰三角形的腰的尺寸為6 mm×6 mm,，采用50 Ω的同軸線饋電,，饋電點距中心距離為11 mm。
分析可得,，天線仿真的反射系數(shù)為-15.03 dB,，帶寬為58.3 MHz，實物的反射系數(shù)為-23.5 dB,，帶寬為26.3 MHz,。如圖3所示，通過方向圖可看出天線為右旋圓極化輻射,。
1.2超材料結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)提取
如圖4所示,，將超材料結(jié)構(gòu)單元放入長方體仿真區(qū)域的中間，前后表面距離端口距離相等,，仿真區(qū)域其余部分為真空，長方體上下表面設(shè)為電壁邊界條件,，左右表面設(shè)為磁壁邊界條件,。這種邊界條件模擬了TEM波穿過材料樣品的情形［8］。平面波由端口1,、2激勵產(chǎn)生,，通過仿真可得端口1和2處S11和S21參數(shù)的實部和虛部,，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，可得超材料結(jié)構(gòu)單元的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率,。其中,，圖5(a)中超材料結(jié)構(gòu)單元具體尺寸為：a=15.24 mm；b=0.762 mm,。
對圖5分析可得,，在1.2 GHz~1.4 GHz中，相對介電常數(shù)為正,，相對磁導(dǎo)率為負,。因此，可以判定此結(jié)構(gòu)單元為磁負材料,。
1.3加載超材料的雙頻天線
對單頻天線的接地板上加載兩個設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元,，天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。結(jié)構(gòu)單元距橫軸的距離為1 mm,，距縱軸的距離為1.27 mm,。天線采用單饋的饋電方式，產(chǎn)生一個頻率,。然后利用超材料結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用產(chǎn)生另外一個頻率,。
2天線的仿真分析
由圖7可得，天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩圖7雙頻天線仿真結(jié)果個頻段,。兩個頻點處的S11分別為-16.8 dB和-19.4 dB,。從方向圖可以得出，它們均為右旋圓極化輻射,；在－90°≤θ≤90°,，軸比均小于3 dB；在仰角為5°時,，天線的增益分別為-3 dB和-3.05 dB（滿足標準仰角5°時G≥－5 dB）,。以上結(jié)果均滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求。
3結(jié)論
本文設(shè)計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線,，并且加工了實物,，仿真結(jié)果與實物測試結(jié)果基本一致。本文還設(shè)計了一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現(xiàn)磁負特性的超材料結(jié)構(gòu)單元,。在單頻天線的接地板上加載兩個設(shè)計的超材料結(jié)構(gòu)單元,，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中高頻段還是由天線自身產(chǎn)生的,，低頻段是由于超材料結(jié)構(gòu)單元的作用激發(fā)產(chǎn)生的,。
參考文獻
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