| 标题 | 卫星导航接收机系统中的多层圆极化微带天线设计 |
| 范文 | 王喜龙 魏昆 摘 要： 卫星导航接收机系统有时需要在较小的区域中放置多个不同频率的圆极化接收天线。通过研究并设计出一种GPS的[L1]和[L2]双频点双层叠放圆极化天线，可以在很大程度上节约空间。该天线上下层是两个独立的单馈点天线，可以分别在[L1]和[L2]频段独立工作，分别为右旋圆极化和左旋圆极化，可作接收天线和发射天线。天线由厚度为4 mm的复合材料加工而成，调试和组装均比较方便。经过仿真分析优化，设计的天线增益较高，极化特性优良，带宽满足要求，完全适合于卫星导航接收机系统的应用。 关键词： 圆极化； 微带天线； 双层叠放； 单馈点 中图分类号： TN820.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）09?0065?03 Abstract： Several circularly polarized receiving antennas with different frequency in small space are placed on satellite navigation receiver system. The double?deck circularly polarized antenna， which receives signals from the GPS with [L1]frequency point and [L2] frequency point is studied and designed to save space. The double?deck antenna consists of two separate single feed point antenna， which is working at [L1] frequency range and [L2] frequency range independently， right?hand circular polarization and left?hand circular polarization of the antenna is working as receiving antenna and sending antenna. It′s easy to debug and install since the antenna is processed with 4 mm thickness composite material. The simulation analysis and optimization proved that the designed antenna with high gain， excellent polarization and qualifies bandwidth requirement， and it is suitable for satellite navigation receiver system application. Keywords： circular polarization； microstrip antenna； double?deck superposition； single feed point 0 引 言 随着信息技术的发展，对天线性能的要求也越来越高，以往单纯的线极化天线己很难满足人们的需求。圆极化微带天线[1?6]由于结合了微带天线诸如结构紧凑、体积小、重量轻、剖面低、容易制造、易于集成并可附着于任意表面等优点和圆极化波能抑制雨雾的干扰、抗多径反射、具有更好的移动性等优点，目前已广泛应用于卫星通信、雷达、移动通信以及各种无线通信设备当中。随着这些系统的发展，越来越需要多频点圆极化微带天线。 多频段天线最常见的形式包括多层天线[7]和缝隙天线[8]。一般多层天线通常是相同极化模式的双频点天线，而缝隙天线结构比较复杂，不易加工。 本文设计一个双频点多层圆极化微带天线，两个频点分别是：GPS的[L1]：1.575 42 GHz，[L2]： 1.227 6 GHz。天线结构共有两层，上下两层均采用单馈点切角结构[9]，分别用同轴线馈电，共有两个馈电口，[L1]频点天线是左旋圆极化天线，[L2]频点天线是右旋圆极化天线，可作为发射天线和接收天线使用。使用HFSS软件给出天线的仿真结果，并对结果进行分析。 1 天线设计 本文设计一个双层[L1]和[L2]右旋圆极化微带天线，具有较低的轴比，较好的带宽特性和较高的增益。 天线模型如图1所示，在直径100 mm的金属底板上放置两层单馈电右旋圆极化微带天线，上层[L1]频段天线，下层[L2]频段天线，天线采用同轴线馈电方式，有两个馈电点（相对位置差90°）分别对上、下两层天线馈电，上层天线的馈电同轴线从下层天线通孔穿过。 图2给出影响天线性能的3个变量，a是方形贴片的边长，决定谐振频点的位置，a越大，谐振频点越小，反之亦然；馈电点位置尺寸b主要影响天线输入阻抗。以上两个参数对天线性能的影响已经在经典微带天线理论中有所体现，本文不做详细分析。切角尺寸c的长度决定极化简并分离单元[Δs，]这对单馈电圆极化微带天线的圆极化性能有着至关重要的影响。 2 天线仿真 本文主要分析上层[L1]频段天线切角尺寸c变化对上层和下层天线的影响。[L1]频段天线切角尺寸c取三组数值分别为c=5 mm，c=5.5 mm，c=6 mm。仿真结果如图3～图8所示，每个图形中都有三条曲线，分别是天线的某一个性能指标在[L1]频段天线切角尺寸c变化下所对应的曲线。其中虚线为c=5 mm所对应参数曲线，实线为c=5.5 mm所对应参数曲线，点线为c=6 mm所对应参数曲线。 3 结 语 由于卫星导航接收机系统逐渐微小化，往往要求设计出在狭小空间上可以分别接受不同频段信号的天线。多层叠放天线是一种解决方案，而由于天线层之间干扰较多，因此设计多层圆极化微带天线是一项困难的工作。本文设计了一款针对卫星导航接收机系统的双层叠放天线，可以独立接收[L1]和[L2]频段信号。该天线上下两层均采用单馈点切角结构，有良好的带宽、增益和极化性能。 另外，针对天线的单馈点结构，本文对天线各项尺寸参数尤其是切角尺寸进行了详细分析。天线边长的大小可以影响到天线谐振点的位置，馈电点的位置主要影响输入阻抗值；天线切角的尺寸大小主要会影响到天线极化轴比的性能，而对其输入阻抗影响很小。这些分析的结论可以给天线设计者一些有用的建议和参考。 参考文献 [1] 鲍尔 I J，布哈蒂亚 P.微带天线 [M].北京：电子工业出版社，1985. [2] KRAUS J D， MARHEFKA R J.天线[M].章文勋，译.3版.北京：电子工业出版社，2005. [3] 钟顺时，罗远祉.微带天线理论和技术的进展[J].电子科学学报，1989，11（3）：290?298. [4] 林昌禄，宋锡明.圆极化天线[M].北京：人民邮电出版社，1996. [5] 张夔.微带天线的优化与设计[D].南京：南京理工大学，2000. [6] 薛虞锋，钟顺时.微带天线圆极化技术概述和进展[J].电波科学学报，2002（17）：331?336. [7] DAHELE J S， LEE K F， WONG D. Dual frequency stacked annular?ring microstrip antenna [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1987， 35（11）： 1281?1285. [8] YAZIDI M， HIMDI M， DANIEL J P. Aperture coupled microstrip antenna for dual frequency operation [J]. Electronics Letters， 1993， 29（17）： 1506?1508. [9] 曾文波.方形切角圆极化微带天线的设计[J].广西工学院学报，2004，15（3）：13?16. |
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