魏曉東 張洪林，2 胡斌杰

（1.華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州510640；2.東南大學毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京210096）

引 言

近來對兼容多個全球衛(wèi)星定位系統設備的需求呈增長趨勢.這些設備既可以工作在建設中的衛(wèi)星定位系統中，如北斗II代和伽利略系統，也可以在需要的情況下切換到GPS或者GLONASS等系統中以保證定位系統的穩(wěn)定、不間斷工作［1］.

在衛(wèi)星定位系統中常常會使用環(huán)形貼片天線作為接收設備的天線.環(huán)形貼片的工作頻率由其內外半徑共同決定［2］.通常情況下采用直接饋電法或者耦合饋電法對環(huán)形貼片進行激勵.直接饋電法一般采用單個饋電點進行激勵，所實現的圓極化軸比帶寬較窄.對環(huán)形貼片天線采用直接饋電法所得到的軸比帶寬比較窄［3-4］.環(huán)形貼片天線一般工作在TM11模式［2］，此時其輸入阻抗很高，不適合采用直接饋電法進行激勵.因此需要在環(huán)形貼片和饋電端口或負載之間加入匹配電路實現良好的信號傳遞.這要求在設計方案中加入部分額外的空間用于布放阻抗匹配電路和饋電線路.采用正交相位的雙饋電方法可以有效地擴展天線的軸比帶寬［5-7］.但是采用這種技術又需要額外的空間用于擺放功率分配和相移電路，不利于天線的小型化.采用耦合饋電方式，例如L形探針對天線進行耦合饋電可以擴展天線的帶寬，但這種方法要求加入空氣或者高頻泡沫作為天線的介質.這種方式在大規(guī)模的應用中并不可取，因為空氣或高頻泡沫介質對天線的輻射貼片和耦合貼片的固定提出了相當高的要求.

提出了一種小型化的寬帶圓極化環(huán)形天線，它的結構使其能滿足大規(guī)模應用所提出各種要求.這個環(huán)形天線采用了高介電常數的陶瓷作為環(huán)形輻射貼片的介質，并采用了兩個位于環(huán)形貼片內測邊緣的弧形貼片用于耦合激勵.為了在兩個弧形貼片上形成等幅、正交的激勵信號，在陶瓷的另一面加入了一個基于帶狀線技術的功率分配器，其輸出的信號為等幅正交信號.該功率分配器的基板正好與陶瓷介質相重疊，所以它沒有占用額外的空間.文中天線采用了環(huán)形貼片、陶瓷介質以及不占用額外空間的正交饋電網絡，其尺寸比傳統的半波長貼片天線縮小了89.6%.在設計中采用了正交雙饋技術，天線的軸比帶寬（小于等于3dB）和阻抗帶寬（｜S11｜≤-10dB）分別達到了32%和28%.天線的最高增益也達到了3.9dBic.采用了較厚的陶瓷作為輻射貼片介質，天線的半功率波束寬度達到了115°，可以捕捉傾角較低的衛(wèi)星所發(fā)出的定位信號.

1 天線設計

圖1給出了所提出天線結構.天線的頂層用于印刷或者蝕刻天線的輻射貼片和弧形耦合貼片.而標注功率分配器層的這一個金屬層則用于印刷／蝕刻用于功率分配和相位延遲的饋電網絡.在功率分配器層中，威爾金森功分器將功率平均分配到兩個輸出端口上，并在兩個端口上連接了相對相位差為90°的傳輸線實現兩個饋電點之間的等幅、正交相位信號.

在圖1中還展示了天線結構的剖面圖.該剖面圖清楚地展示了天線中所用到的各層介質和各金屬層之間的關系.總的來說，在天線中有兩層介質，其中上面一層是介電常數較高的陶瓷介質，其厚度為6mm，介電常數為9.2，正切損耗角為0.003.下面一層介質是帶狀線所需的介質，其厚度為1.53，介電常數為2.65，正切損耗角為0.002 7.上下兩層介質的長寬均為50mm.圖中列出的其他參數如下：Ri＝7.45mm，Ro＝14.7mm，αarc＝50°，Rarc＝6.65 mm，Fp＝5mm.圖中Via為金屬化過孔，TL1，TL2及TL3是50Ω傳輸線，TLh是70.7Ω傳輸線.

圖1 所提出的天線的結構

天線中的饋電網絡采用了帶狀線技術進行設計和加工.根據帶狀線的計算公式、介質厚度和介電常數計算得到了在厚度為1.53mm，介電常數為2.65等條件下的50Ω和70.7Ω的傳輸線的寬度分別為1.05mm和0.55mm.在功分器部分所需的兩段70.7Ω的帶狀線的電長度均為四分之一波長；而連接在功分器輸出端的兩段50Ω傳輸線的電長度根據兩個饋電點的位置進行調整，只是其中一條傳輸線的電長度比另一條傳輸線的電長度要長四分之一波長.這樣就保證了輸出到兩個饋電點的信號具有幅度相等、相位正交的特性.在弧形激勵貼片和帶狀線饋電網絡輸出端之間采用了直徑為1.1mm的金屬化過孔進行連接.

所提出的環(huán)形貼片天線被設計成工作在1.56 GHz.這個頻率是北斗II代的在L波段的工作頻率.為了減小天線的尺寸，將環(huán)形貼片的工作模式設定成環(huán)形貼片的TM11模，在這個模式下天線的最大輻射方向與環(huán)形貼片所在的平面垂直.但是，當環(huán)形貼片工作在TM11時其輸入阻抗數值很高［2］，難以采用直接饋電方法對天線進行激勵.這個問題可以通過采用容性耦合饋電給予解決［8-9］.采用容性耦合饋電方式可以將環(huán)形貼片原有較高的輸入阻抗轉化為較低的易于匹配的阻抗，從而能采用較簡單的饋電線路.此外，為了實現寬帶圓極化天線，通常采用雙饋或四饋點進行饋電.在天線中采用了較為簡單的雙饋點方式，兩個饋電點之間的幅度相等，相位相差90°.上述饋電方式通過位于陶瓷戒指背面的帶狀線饋電網絡和位于環(huán)形貼片內側的兩個弧形貼片實現.弧形貼片通過金屬化的過孔與饋電網絡的輸出端連接.圖1給出了具體的連接方式.

因為兩個用于耦合激勵的弧形貼片被放在環(huán)形輻射貼片的內側，它們并不占用更多的空間.此外，由于弧形貼片對應的圓心角角度、其外邊與環(huán)形貼片之間的距離等都能參與天線輸入阻抗的從高到低的變換，所以這種擺放方式非常有效和節(jié)約空間.再有，從弧形貼片到金屬化過孔之間的金屬導線的長度也能參與阻抗調整，所以采用弧形貼片進行耦合饋電和阻抗變換的方式具有多維度的自由度.本設計中的所有金屬層都是在各種介質表面通過印刷或者蝕刻工藝實現，而過孔也可通過沉銅工藝或插入金屬柱實現，所以能實現大規(guī)模的生產.

2 結果與討論

圖2中展示了測試所得的天線輸入端回波損耗曲線.從圖中可以看到，天線的阻抗帶寬達到了28%以上，即從1.38GHz開始一直到1.8GHz以上，反射系數S11都小于-10dB.

而圖3則給出了測試的天線軸比曲線.從曲線可知，天線的軸比帶寬大于32%.天線的軸比帶寬較大要歸功于陶瓷體背面的饋電網絡實現了較好的幅度平衡度和正交相位.幅度平衡、相位正交的信號通過金屬過孔傳遞到兩個弧形貼片使得天線在較大范圍內實現了良好的圓極化輻射特性.

圖2 在天線輸入端測試得到的回波響應曲線

圖3 測試所得到的軸比曲線

圖4給出了天線增益的測試曲線，該曲線表明天線的最大增益點在1.61GHz，該頻率與設計的頻率相比稍有偏高，這是因為陶瓷介質的參數略有降低；此外在陶瓷介質和底面的帶狀線功分器之間存在一定的空氣間隙也導致等效介電常數偏低，所以環(huán)形貼片的諧振頻率略有升高.這也就導致天線的最大增益點出現了一些偏移.通過仿真發(fā)現，在陶瓷介質和底部的帶狀線介質之間存在的0.1mm的空氣間隙會使得天線的諧振頻率從1.56GHz偏移1.61GHz.

圖5展示了天線在其最大增益點（1.61GHZ）處的方向圖.天線在x-z平面和y-z平面內的交叉極化比主極化低20dB以上；并且在這兩個平面內都有超過115°的半功率波束寬度.有鑒于此，該天線可以有效地接收較大傾角處的衛(wèi)星發(fā)出的定位／導航信號.這對于處于建設期的北斗II代以及Galileo系統而言是必須的.因為這兩個系統的在軌衛(wèi)星數目較少，必然出現小傾角范圍內衛(wèi)星數目不夠而另一些衛(wèi)星處于較大傾角的情況.有了這樣的天線就能較好地接收更多衛(wèi)星的信號、實現不間斷工作.

圖4 天線的增益測試曲線

圖5 天線在1.61GHz的方向圖測試曲線

3 結 論

提出的陶瓷圓極化天線比傳統的半波長圓極化貼片天線縮小了約89.7%.天線中所有的金屬線路通過印刷／蝕刻方式實現，并附著在固體介質表面，所以這種天線非常適宜于大批量生產.此外，由于采用了正交饋電方式，天線的軸比帶寬達到了32%，而阻抗帶寬也達到了28%以上.天線的饋電網絡處于天線陶瓷體的背面，除了使天線的整體厚度增加1.53mm之外，它完全沒有占據額外的空間.天線的最大增益為3.9dBic，在x-z，y-z平面的半功率波束寬度達到了115°，允許它覆蓋較大傾角的衛(wèi)星.

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