一種短路環狀疊層寬帶GNSS天線設計

一種短路環狀疊層寬帶GNSS天線設計

多模衛星導航系統（GNSS）包括GPS（美國），Compass（中國），GLONASS （俄羅斯），還有Galileo（歐洲）。GNSS天線要求結構緊湊，質量輕，低損耗，以便用于小衛星，空中飛機，船舶，還有地面上的移動終端。

在文獻中已經提出了很多解決方案來設計雙頻段圓極化天線。文獻中，為了獲得GPS L1-L2頻段的天線，作者使用簡單饋電的切角貼片。然而，這種方法的缺點是軸比（AR）帶寬較窄。文獻中，作者采用了電容饋電的雙層方形貼片和超材料線的功分器，實現了寬帶圓極化天線，但天線太厚。

本文計了一種可用于多模衛星導航系統（GNSS）的短路環狀層疊圓極化天線，工作帶寬為1100MHz-1600MHz，可以同時工作在四種導航系統。本文設計的天線主要有以下特點：（1）一個180°寬帶移相器，兩個90°寬帶移相器和L形饋電探針作為天線的饋電網絡，可以獲得較寬的阻抗帶寬與軸比帶寬。（2）本文采用雙層饋電網絡結構，這樣可以有效地減小饋電網絡尺寸。（3）次級饋電網絡沿著對角線排布，可以有效地利用有限空間。（4）短路環狀層疊貼片作為輻射貼片可以獲得穩定的增益帶寬、寬波束以及寬角軸比特性。

天線設計

天線結構示意圖如圖1所示，天線結構主要由5層。第一層介質的頂部為上層環狀貼片，底部為下層環狀貼片，上層貼片與下層貼片通過金屬臂連接。第二層介質隔離開下層貼片與L形耦合探針。四個L形探針起到激勵環形貼片和阻抗變換的作用。L形探針包括四個矩形金屬條帶和四個金屬柱，矩形金屬條帶印刷在第三層介質的頂部，金屬柱穿過第三層介質和90°移相器連接在一起。第四層與第五層為饋電網絡層。從圖2可以看出，饋電網絡在相鄰的端口能夠實現90°的相位差。圖3為饋電網絡仿真的回波損耗，幅度響應與相鄰端口的相位差曲線。從圖中可以看出，在1.1GHz-1.6GHz時，幅度起伏在0.5dB以內，相位起伏在±4°以內。網絡性能的優劣直接影響到天線圓極化性能的好壞。

天線的關鍵尺寸如下： L=70mm， εr=4.4，tanσ=0.02，d1=52mm，d2=27mm，d3=10mm，h1=3mm，h2=3mm，h3=14.5mm，h4=4mm，h5=4mm。

圖1　天線結構圖

圖2　饋電網絡結構

試驗測試結果

圖4為天線的實物圖，天線的整體尺寸為70mm×70mm×28.5mm。圖5為仿真與實測駐波對比曲線，從圖中可以看出，實測駐波小于2的相對帶寬為50.8%，從1.1GHz到1.85GHz。圖6為在最大輻射方向仿真與實測軸比對比曲線，3dB軸比帶寬為45.5%，從1.07GHz到1.7GHz。天線的阻抗與軸比帶寬能夠覆蓋整個GNSS頻段。天線在微波暗室測量方向圖特性。圖7為在1.4GHz實測XOZ與YOZ面軸比方向圖曲線。從圖中可以看出， XOZ平面AR<5dB 的角度為-115°-90°，YOZ平面AR<5dB 的角度為-45°-110°。圖8 為1.4GHz實測方向圖曲線，在仰角>10°時增益都大于-5dBi。圖9為天線實測增益曲線，在頻帶范圍內，天線的右旋增益都在2.5dBi以上。

圖3　網絡特性曲線

圖4　天線實物圖

圖5　仿真與實測駐波曲線

圖6　仿真與實測軸比曲線

圖7　1.4GHz實測軸比曲線

圖8　1.4GHz實測方向圖曲線

圖9　實測增益曲線

結語

本文設計了一種可用于多模衛星導航系統的寬帶短路環狀層疊圓極化天線。雙層介質帶狀線作為天線的饋電網絡可以有效的減小天線尺寸。天線的整體尺寸為70mm×70mm×28.5mm。短路環狀層疊貼片作為輻射貼片可以獲得穩定的增益帶寬、寬波束以及寬角軸比特性。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.028