2017-04-10 16:44:10

  陳侃,袁家德

  (福州大學 物理與信息工程學院,福建 福州 350002)

        摘要:設計了一款應用於北鬥一代衛星導航終端的收發雙端口高隔離度圓極化微帶天線。天線采用單層嵌套結構並在貼片上切角實現雙頻雙圓極化輻射,通過在收發兩端口間加載探針短路牆提高天線兩端口間隔離度。仿真與測試結果表明,該天線兩端口分別工作於北鬥導航係統的發射頻段BD1?L(中心工作頻率1 616 MHz)和接收頻段BD1?S(中心工作頻率2 492 MHz),收發兩端口間隔離度|S12|在BD1?S接收頻段大於35 dB。

  關鍵詞:北鬥衛星導航係統;微帶天線;雙頻段;圓極化;高隔離度

  中圖分類號:TN821.1-34文獻標識碼:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.020

  引用格式:陳侃,袁家德. 北鬥一代衛星導航終端高隔離度微帶天線[J].微型機與應用,2017,36(6):66-67,71.

0引言

  *基金項目:福建省發改委2014年產業技術聯合創新專項;福州市科技項目計劃(2015?G?61)中國自行研發設計的北鬥衛星導航係統目前已廣泛應用在民用和軍用領域,天線作為北鬥衛星導航係統的重要組成部分,其性能直接影響導航係統的整體性能[1]。北鬥一代衛星導航天線要求天線工作在BDS?1 L頻段(1 615.68±4.08 MHz)和BDS?1 S頻段(2 491.75±4.08 MHz),其中低頻輻射左旋圓極化波,高頻輻射右旋圓極化波,收發端口間的隔離度應大於15 dB[2]。

  微帶天線具有剖麵低、重量輕、成本低、容易生產等特點,在導航類天線中被廣泛應用。然而大多數導航天線采用疊層結構實現多頻[3?5],增加了天線的剖麵。文獻[4]采用疊層結構覆蓋GPS雙頻,該天線利用高介電常數板材減小天線尺寸,其輻射性能好,但帶寬較窄,加工精度要求高,造價高且剖麵較大。部分北鬥一代衛星導航天線采用單層結構降低剖麵[6?8],文獻[6]采用單層嵌套結構實現雙頻輻射,單饋切角實現圓極化,但雙端口間隔離度差。文獻[7]采用單層嵌套結構覆蓋北鬥一代收發雙頻,利用3 dB耦合器實現天線的圓極化輻射並提高收發端口間的隔離度,但結構複雜,增加了成本。文獻[8]采用環形嵌套結構實現雙頻輻射,同時使用金屬化過孔提高雙端口隔離度,天線尺寸相對較大。

  本文設計了一款覆蓋北鬥一代收發雙頻的單層圓極化微帶天線,天線結構簡單,剖麵低,易於加工,收發端口間具有很高的隔離度,輻射性能良好,適用於北鬥衛星導航終端。

1天線結構與設計

  圖1給出了天線結構示意圖,天線輻射貼片采用嵌套結構,蝕刻在厚度為h的FR4介質基板上。天線整體尺寸為L×L×h,其中,內層貼片邊長為L2,覆蓋北鬥一代接收頻段BDS?1 S頻段,外層貼片尺寸較大,其邊長為L1,覆蓋北鬥一代發射頻段BDS?1 L頻段,內外貼片間留有環形槽,其寬度為w。外層貼片加載4個枝節的長度為a1,內層貼片縫隙的深度為a2,都是用來微調天線的諧振頻率。

  

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  為了激勵起內外貼片輻射圓極化波,天線采用單饋法且引入恰當的切角微擾,使簡並模分離,激勵出兩個極化正交、幅度相等、相位相差90°的模式,實現圓極化輻射。外層貼片饋電點與天線中心的距離為d1,切角邊長為c1,內層貼片饋電點與天線中心的距離為d2,切角邊長為c2。

  由於內外貼片在同一層,耦合度高,相互影響大,端口間隔離度差,為了提高收發端口間的隔離度,在內外貼片間加載探針短路牆,將內外層電場隔離開,大大增加了收發端口間的隔離度。

  利用電磁仿真軟件設計和優化天線,天線優化尺寸如下(單位:mm):L=75,L1=71,L2=28.3,w=2,a1=20,a2=0.7,c1=4.4,c2=3,d1=33,d2=5.8,d3=17,h=1.6。根據最優仿真結果加工天線。

2天線仿真及測試結果分析

  2.1S參數

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  圖2天線S參數仿真與測試曲線圖圖2為天線S參數的仿真及測試結果,低頻反射係數S11(S11≤-10 dB)仿真帶寬為53 MHz(1.586 GHz~1.639 GHz),覆蓋BDS-1 L 頻段;高頻反射係數S22(S22≤-10 dB)仿真帶寬為88 MHz(2.449 GHz~2.537 GHz),可覆蓋BDS?1 S 頻段。測試結果與仿真結果較好吻合。從圖2中可以看出,天線端口間S12的仿真與測試結果在1.5~1.7 GHz頻帶範圍內小於-40 dB,在2.4~2.6 GHz頻帶範圍內小於-35 dB,說明天線收發端口間具有非常好的隔離效果。

  2.2軸比

  圖3和圖4是天線在北鬥一代收發頻段中心頻率1.616 GHz和2.492 GHz處軸比仿真結果,由圖可以看出在phi=0、theta=0時,xz麵、yz麵天線的軸比均小於3 dB且低頻3 dB軸比波束寬度為80°,高頻3 dB軸比波束寬度為110°。

  

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  2.3增益

  圖5和圖6是天線在頻率為1.616 GHz和2.492 GHz處的增益方向圖,從圖中可以看出天線在低頻輻射左旋圓極化波,增益為1.84 dB,在高頻輻射右旋圓極化波,增益為3.08 dB。

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