| 标题 | 一种可用于北斗卫星信号接收的微带天线设计 |
| 范文 | 杨永军 摘要：基于微带天线技术提出一种应用于北斗导航系统的新型天线设计。该天线采用FR?4衬底上的弯曲微带和含有通孔的微带贴片实现。天线的小型化设计可使其更好地应用于北斗导航之中。与此同时，与常规的天线相比，该天线拥有更好的反射系数。实验结果表明，这里设计的天线非常适用于北斗导航系统，进而可应用于车辆导航系统之中。 关键词：北斗导航系统； 微带天线； 天线设计； 卫星信号接收 中图分类号： TN965+.2?34； TP751 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）07?0058?03 0 引 言 中国的北斗导航系统正在迅速的发展，并将广泛应用于诸多领域中。北斗导航系统的民用信号频率（L1）为（1 575.42±10） MHz。为了良好地接收北斗系统的信号，卫星信号的接收天线性能至关重要。天线的性能受多种因素的制约，例如天线的尺寸，多径效应，带宽和反射系数（S11）等等。其中，反射系数和带宽是关键性因素。圆极化（Circular Polarization，CP）微带天线广泛应用于无线局域网络（Wireless Local Area Networks， WLAN），全球定位系统（Global Positioning System， GPS），移动卫星，无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）等领域[1]。凭借着小尺寸、高性能的优势，微带天线亦将在北斗导航系统中得到广泛应用。 现有的天线设计技术包括阵列天线[2]、螺旋天线[3]和短路环形贴片（Shorted Annular Patch，SAP）天线[4]。虽然大多数现有的解决方案可以提供期望的辐射特性，但是尺寸和重量方面的劣势导致它们在很多的实际应用中不具有可行性。文献[5]提出了一种使用三角形贴片的双频带天线设计，该设计在三角形贴片的两个角上添加了额外的臂长。其设计的小尺寸天线可以覆盖高频频带，通过在主体上添加额外的谐振元件，亦可以覆盖到低频频段。此外，文献[6]中设计的天线通过采用具有较高介电常数（[εr=]15.5）、在地平面上嵌入四个槽的衬底，可以减小天线的尺寸，使天线在双频带的模式下工作。 尽管研究人员提出许多的方法，但是由于信号接收中心频率，辐射增益等参数的原因，现有方法均不能很好地应用于北斗导航系统。在本文中提出符合北斗导航系统需求的单频带天线的设计。 1 基于微带线技术的北斗天线的设计 目前用微带天线实现圆极化辐射主要有以下四种方法：正交馈电的单片圆极化微带天线，一点馈电的单片圆极化微带天线，曲线微带构成的宽带圆极化微带天线和微带天线阵构成的圆极化微带天线。本文采用曲线微带构成的宽带圆极化微带天线，其拥有很好的圆极化辐射特性。 本文采用HFSS 软件进行微带天线的设计及仿真。本文的天线设计如图1所示。这种新型的双频天线采用位于两个不同层的微带的FR4衬底（厚度为1.6 mm，[εr]为4.4）实现。这两层的微带为传输介质，用于耦合接收信号。此外，这种设计方法可以有效地减小天线的尺寸，实现小型化设计。紧凑的设计非常适用于手持式和移动设备。天线的工作频率（L1波段）可以进行调整，以适用于北斗导航系统。 图1 单频带北斗导航系统天线设计 图2为模拟频率响应，相关的辐射方向图如图3所示。在极化图上，该信号非常好，大约在-90°～90°之间，在该区域，信号可由本文设计的新型天线良好接收。天线的工作频率在1.575 GHz左右，并拥有较好的27 dB的回波损耗（S11）。 图2 单频带天线的模拟频率响应 图3 新颖的紧凑型单频带天线的辐射图 天线在立体空间会向各个方向辐射出能量，而衡量辐射能量的指标是增益。增益即是在输入功率相等的条件下，也就是实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比，可用下式表示： [G=10lg PrealPideal] 式中变量[G]是天线的辐射增益，[G]值的大小代表该信号性能的好坏，较大的[G]值说明在这个频率上信号较好，而弱[G]值则代表弱信号。在本天线的设计中，要获得良好的信号，[G]值通常需要大于3 dB。当输入功率[Pinput]相同的情况下，[Pideal]是在理想的情况下特定位置上的辐射功率，而[Preal]是在同一位置上的实际辐射功率。由图3可以看出，增益[G]高于13.40 dB。因此，电场辐射增益足够强大。根据辐射增益的理论，本设计能满足应用需求，实现信号的良好接收。而且，几乎在所有方向上，信号都非常好。所以这种设计方法可应用于北斗应用系统。工作频率大约为1.575 GHz，与相关的协议匹配。 2 实验模拟和测量结果 为了验证本文提出的天线设计方案，实验中基于FR?4（厚度1.6 mm，[εr=]4.4）衬底实现。所制造的天线的实物图如图4所示。图中微带天线放置在两个不同层面上。在两个层的微带可视为用于耦合接收信号的传输介质。此外， 此微带设计方法通过减小尺寸来实现天线的小型化。 图4 所制作的单频天线罗盘的应用 本微带天线所获得的测量结果见图5。可以看出，实验中实现的天线以27 dB的回波损耗工作在1.57 GHz的中心频率。此外，微带天线的尺寸非常小，规格为60 mm×25 mm。测量结果验证了本设计的可行性。 图5 实验中测量的单频带天线的频率响应 为了比较本文所提出的方案与现有设计的性能，表1列出本文设计天线和部分参考文献中天线的性能比较。由表1可以看出，本文设计的天线的体积最小，仅为60 mm×25 mm。同时，本设计获得了高达18.5 dB的辐射增益，且反射系数（S11）为-22 dB。此外，本文所提出的设计可以调整微带线的长度以获取不同的天线中心频率。 综上，本文所提出的天线设计方案可以被用于设计接收北斗卫星导航系统中的民用信号（1.575 GHz），相比于现有的设计方法，本文所提出的方案有一定的优势。 表1 本文中的天线设计与其他天线设计性能比较 3 结 语 本文提出一种用于北斗导航系统的天线设计。该微带天线由DGS层和第二层组成。在两个层的微带可视为传输介质用于耦合接收信号。测得的辐射方向图表明，天线具有优良的导电性、紧凑性、重量轻和成本低等特点，也证明了所提出的天线设计的可行性。 参考文献 [1] WONG K L. Compact and broadband microstrip antennas [M]. USA： John Wiley and Sons， 2002. [2] PADROS N， ORTIGOSA I， BAKER J， et al. Comparative studies of high?performance GPS receiving antenna designs [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagat， 1997， 45： 698?706. [3] TRANQUILLA J M， BEST S R. A study of quadrifilar helix antenna for global positioning system applications [J]. IEEE Tran?sactions on Antennas Propagat， 1990， 38： 1545?1550. [4] MASSA G D， MAZZARELLA G. Shorted annular patch antenna [J]. Microwave Optical Technol Letters， 1995， 8： 218?222. [5] CHU Q X， YE L H. Design of compact dual?wideband antenna with assembled monopoles [J]. IEEE Transactions on Antennas Propag， 2010， 58（12）： 4063?4066. [6] LIN Shun?yun， HUANG Kuang?chi. A compact microstrip antenna for GPS and DCS application [J]. IEEE Transactions on Antennas. Propag， 2005， 53（3）： 1227?1229. [7] BOCCIA L， AMENDOLA G， MASSA G D. A dual frequency microstrip patch antenna for high?precision GPS applications [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2004， 3（1）： 157?160. [8] WANG Mo?ran， DENG Xiao?qiao， GU Chang?qing. Tri?band GPS antenna with low?multipath ground plane [C]// Proceedings of International Symposium on Signals， Systems and Electro?nics. [S.l.]： [s.n.]， 2010： 111?118. [9] ASILIO J T， WILLIAMS DR， JACKSON M A， et al. A comparative study of a new GPS reduced?surface?wave antenna [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2005， 4： 233?236. [10] HUANG C Y， LING C W， KUO J S. Dual?band microstrip antenna using capacitive loading [J]. IEE Proceedings of Microwaves， Antennas and Propagation， 2003， 150（6）： 401?404. |
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