一种多频段圆极化微带天线的设计

一种多频段圆极化微带天线的设计

0微带天线定义近年来，全球导航已越来越受到重视，并在导航终端天线的快速发展方面发挥了重要作用。目前得到广泛应用的是globalpositionsystem(GPS)系统和Galileo系统,正在建设中的“北斗”二代系统也将是一个全球导航定位系统。随着多模卫星组合导航技术的发展,可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计受到了广泛重视。微带天线因具有尺寸小、成本低、易加工等特点,在卫星通信及卫星导航领域得到广泛使用。微带天线大都采用高介电常数的介质,具有带宽较宽、良好的广角圆极化特性。由于导航卫星发射右旋圆极化的导航信号,要求导航终端天线在各工作频段上具有良好的右旋圆极化特性。用于多模式多频段导航终端的天线有诸多文献报道,有的是针对GPS系统的设计,但工作频率只涵盖GPS系统所属L1、L2和L5频段;有的设计针对于多模式导航系统,其工作频带范围在1164~1600MHz之间,并未将北斗一代S频段(2483~2500MHz)包括在内;还有的设计虽包含北斗一代S频段,但并不能工作于北斗二代导航系统。本文提出了一种微带天线,可工作在北斗一代的S频段,北斗二代的B1、B2频段,Galileo的E5、E2-L1-E1频段和GPS的L1、L5频段,采用二点和四点馈电技术来实现圆极化。仿真结果表明,该天线在各工作频段内反射损耗均小于-10dB,北斗一代S频段的辐射极化性能方面所受到的来自低频段的高次谐波的干扰很小,所有工作频段具有良好的右旋圆极化性能和辐射特性。1天线的基本结构天线在ADS中建立的模型如图1所示。该天线由工作在多个频段的右旋圆极化微带天线层叠,形成多频段右旋圆极化天线。高频段正方形顶层贴片、中频段圆形中层贴片和低频段圆环底层贴片由顶层至底层同心依次放置于介质基板之上;中频贴片、低频贴片与接地板沿圆环贴片内环以均匀分布的过孔相连。接地板另一面设计馈电网络,中低频贴片馈电网络主要由宽带Wilkinson功分90°、180°移相器构成,高频贴片馈电网络主要由宽带Wilkinson功分90°移相器构成。3层介质基板的厚度分别为h1=1.8mm、h2=1.5mm、h3=3.5mm,其中,高频天线支撑基板介电常数ε1为2.55,中频、低频段天线基板介电常数ε2、ε3均为4.4,另外馈电网络支撑基板介电常数亦为4.4。中低频段贴片采用四馈点馈电方式实现右旋圆极化,高频段贴片采用两馈点馈电方式实现右旋圆极化,高、中频段贴片是同轴馈电,低频段贴片是电磁耦合馈电。天线具体尺寸分别为:顶层辐射贴片边长L1为35mm,中层辐射贴片直径D1为77mm,底层辐射贴片直径D2为88mm,天线接地板直径D3为90.6mm。天线整体支撑介质为圆形,直径与接地板相应尺寸相同。馈电网络如图2所示,圆极化方式采用四馈点与两馈点方式实现。以两馈点方式为例,2个馈电端口所辐射的TM01和TM10模,在贴片辐射方向形成2个正交分量,沿顺时针方向看前面的端口馈电信号超前于后面的端口相位π/2,选择适当的激励频率,可以使2个模式同时被激励,从而得到一个右旋圆极化辐射场。2天线辐射方向对天线进行反复优化,最后得出如图1所示的各部分尺寸参数。利用上述优化参数,建立模型的仿真结果如图3、图4及图5所示。图3为各工作频段天线仿真回波损耗S11,结果表明,天线在所要求的工作频段上S11参数均小于-10dB,频段覆盖于北斗一代、二代、Galileo和GPS卫星导航系统,具有良好的兼容性和通用性。为了研究天线的辐射特性,本文对天线的方向图进行了仿真,选择了1.180GHz、1.210GHz、1.570GHz和2.490GHz四个频点,图4为各工作频段天线仿真辐射方向图。天线在1.180GHz所得方向图如图4(a)所示。可以看出,3dB波束宽度为81°;天线在1.210GHz所得方向图如图4(b)所示,可以看出,3dB波束宽度为71°;天线在1.570GHz所得方向图如图4(c)所示,可以看出,3dB波束宽度为87°;天线在2.490GHz所得方向图如图4(d)所示,可以看出,3dB波束宽度为84°。在各工作频段内,天线具有良好的全向辐射特性,特别是2.490GHz辐射方向图,与其他频段类似,其沿Z轴方向的辐射强度最强,几乎未受到位于L波段的低频信号的高次谐波的干扰。图5为各工作频段天线仿真轴比方向图。天线在1.180GHz所得轴比方向图如图5(a)所示,可以看出,在-20°~+70°角域AR<3dB,在-55°~+80°角域AR<6dB;天线在1.210GHz所得轴比如图5(b)所示,可以看出,在-40°~+40°角域AR<3dB,在-60°~+80°角域AR<6dB;天线在1.570GHz所得轴比如图5(c)所示,可以看出,在-10°~+65°角域AR<3dB,在-50°~+80°角域AR<6dB;天线在2.490GHz所得轴比如图5(d)所示,可以看出,在-10°~+50°角域AR<3dB,在-75°~+65°角域AR<6dB。结果表明,在正角域辐射方向内轴比特性较好,大部分的正角域范围内小于3dB;而在大部分的负角域辐射方向内轴比基本小于6dB。3nson功分移相馈电网络ns本文对一种兼容应用于卫星导航终端的新型多频段圆极化微带贴片天线进行了研究。天线采用层叠微带和多级Wilkinson功分移相馈电网络的结构,可工作在北斗一代的S频段,北斗二代的B1和B2频段,Galileo的E5和E2-L1-E1频段以及GPS的L1和L5频段。仿真结果表明,该天线在各工作频段内反射损耗均小于-10dB,经进一步实用化研究后可服务于北斗一代、二代、Galileo和GPS卫星导航系统,具有良好的兼容性和通用性。天线单元测试本文作者感谢北京信息科技大学通信新技术研究所