一種短路環(huán)狀疊層寬帶GNSS天線設(shè)計(jì)

多模衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）包括GPS（美國(guó)），Compass（中國(guó)），GLONASS （俄羅斯），還有Galileo（歐洲）。GNSS天線要求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，低損耗，以便用于小衛(wèi)星，空中飛機(jī)，船舶，還有地面上的移動(dòng)終端。

在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了很多解決方案來(lái)設(shè)計(jì)雙頻段圓極化天線。文獻(xiàn)中，為了獲得GPS L1-L2頻段的天線，作者使用簡(jiǎn)單饋電的切角貼片。然而，這種方法的缺點(diǎn)是軸比（AR）帶寬較窄。文獻(xiàn)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(shí)現(xiàn)了寬帶圓極化天線，但天線太厚。

本文計(jì)了一種可用于多模衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的短路環(huán)狀層疊圓極化天線，工作帶寬為1100MHz-1600MHz，可以同時(shí)工作在四種導(dǎo)航系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的天線主要有以下特點(diǎn)：（1）一個(gè)180°寬帶移相器，兩個(gè)90°寬帶移相器和L形饋電探針作為天線的饋電網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這樣可以有效地減小饋電網(wǎng)絡(luò)尺寸。（3）次級(jí)饋電網(wǎng)絡(luò)沿著對(duì)角線排布，可以有效地利用有限空間。（4）短路環(huán)狀層疊貼片作為輻射貼片可以獲得穩(wěn)定的增益帶寬、寬波束以及寬角軸比特性。

天線設(shè)計(jì)

天線結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，天線結(jié)構(gòu)主要由5層。第一層介質(zhì)的頂部為上層環(huán)狀貼片，底部為下層環(huán)狀貼片，上層貼片與下層貼片通過(guò)金屬臂連接。第二層介質(zhì)隔離開(kāi)下層貼片與L形耦合探針。四個(gè)L形探針起到激勵(lì)環(huán)形貼片和阻抗變換的作用。L形探針包括四個(gè)矩形金屬條帶和四個(gè)金屬柱，矩形金屬條帶印刷在第三層介質(zhì)的頂部，金屬柱穿過(guò)第三層介質(zhì)和90°移相器連接在一起。第四層與第五層為饋電網(wǎng)絡(luò)層。從圖2可以看出，饋電網(wǎng)絡(luò)在相鄰的端口能夠?qū)崿F(xiàn)90°的相位差。圖3為饋電網(wǎng)絡(luò)仿真的回波損耗，幅度響應(yīng)與相鄰端口的相位差曲線。從圖中可以看出，在1.1GHz-1.6GHz時(shí)，幅度起伏在0.5dB以內(nèi)，相位起伏在±4°以內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣直接影響到天線圓極化性能的好壞。

天線的關(guān)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(jié)構(gòu)圖

圖2　饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4為天線的實(shí)物圖，天線的整體尺寸為70mm×70mm×28.5mm。圖5為仿真與實(shí)測(cè)駐波對(duì)比曲線，從圖中可以看出，實(shí)測(cè)駐波小于2的相對(duì)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(shí)測(cè)軸比對(duì)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(gè)GNSS頻段。天線在微波暗室測(cè)量方向圖特性。圖7為在1.4GHz實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)方向圖曲線，在仰角>10°時(shí)增益都大于-5dBi。圖9為天線實(shí)測(cè)增益曲線，在頻帶范圍內(nèi)，天線的右旋增益都在2.5dBi以上。

圖3　網(wǎng)絡(luò)特性曲線

圖4　天線實(shí)物圖

圖5　仿真與實(shí)測(cè)駐波曲線

圖6　仿真與實(shí)測(cè)軸比曲線

圖7　1.4GHz實(shí)測(cè)軸比曲線

圖8　1.4GHz實(shí)測(cè)方向圖曲線

圖9　實(shí)測(cè)增益曲線

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種可用于多模衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶短路環(huán)狀層疊圓極化天線。雙層介質(zhì)帶狀線作為天線的饋電網(wǎng)絡(luò)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(huán)狀層疊貼片作為輻射貼片可以獲得穩(wěn)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