褚濤，王安玖，王學杰，秦潔，李邵華，吳著剛

(1.貴州振華紅云電子有限公司，貴州 貴陽 550018; 2.貴州振華電子信息產業(yè)技術研究有限公司，貴州 貴陽 550018)

0 引言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)可以提供全天候、全天時、高精度的定位、導航、授時等服務，被廣泛應用于航空、陸地車載、空間引導和海事等各個領域[1]。目前世界有四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)，分別是美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星全球導航系統(tǒng)（BDS）[2],而BDS具有獨有的短報文通信功能，使其在國際搜救，精密單點定位方面有獨一無二的優(yōu)勢[3]。目前，北斗三號衛(wèi)星已經完成建設，將提供全球范圍內的服務。

目前，國內關于北斗天線的寬軸比波束寬度和低剖面方面都進行了很多研究，如BIAN等利用L形探針進行饋電，在寬角度范圍內展寬了3dB軸比帶寬[4]；Park等研究了在展寬半功率波束寬度的前提下，降低天線的尺寸[5]；Zhang等設計了單饋點高增益寬軸比波束寬度的微帶貼片天線，但帶寬需要提高[6]；謝等設計了小型寬軸比波束寬度的微帶天線，但增益需要進一步提高[7]；張等設計了一種新型寬帶高增益多模導航天線，在其主輻射方向上有較高的增益[8]；Parameswaran等用超材料設計制作了寬帶寬的微帶貼片天線，其帶寬有1.9%提高到了31.78%[9]；衛(wèi)等[10]設計了雙層圓形微帶貼片天線，其阻抗帶寬和3dB波束帶寬均有很大提高，朱等[11]設計了一款抗干擾陣列天線，得到了很好的應用。

但是，現(xiàn)有資料對微帶貼片天線在不同仰角下增益改善研究較少，因此，本文通過對比了方形貼片和多枝節(jié)輻射貼片之間的性能參數(shù)，設計了一款工作在北斗B3頻率的微帶貼片陶瓷天線，其在低仰角下有高功率增益，以滿足特殊領域的應用。

1 圓極化貼片陶瓷天線設計

北斗陶瓷天線工作原理是利用北斗衛(wèi)星來實現(xiàn)導航定位的，通過用戶的接收機來提取衛(wèi)星信號中的偽隨機噪聲碼和數(shù)據(jù)碼，以進一步解算得到接收機載體的位置、速度和時間(PVT)等導航信息，現(xiàn)在主要使用的是微帶線饋電陶瓷天線和同軸線饋電陶瓷天線。

本文設計了1款同軸線饋電陶瓷天線，按照傳輸線模型進行分析，采用單饋法進行饋電，在方形輻射貼片的對角引入切角形成90°相位差，從而實現(xiàn)現(xiàn)圓極化。設計采用介電常數(shù)εr=19.7的微波介質陶瓷進行微帶天線的制作，對于工作在北斗B3中心頻率f0=1268MHz的矩形微帶天線，其輻射貼片寬度w用如下公式進行計算：

式中，c是光速。

輻射貼片的長度為L為：

式中，ΔL是由于邊緣縮短效應的影響而等效的輻射縫隙長度，εe是有效介電常數(shù)，分別由如下公式計算：

綜合天線的參數(shù)指標及實際應用要求，以上述計算得出微帶天線的部分參數(shù)及變量，確定微帶天線的設計尺寸為35mm×35mm×5.5mm，為了便于安裝，將其中一角設為圓角。為了對比普通方形切角輻射貼片與多枝節(jié)輻射貼片對天線不同仰角下增益的影響，特設計兩個模型，如圖1所示，并做了仿真對比。多枝節(jié)輻射貼片主要是通過增加了寄生單元，于寄生單元引入新的諧振頻率，當寄生單元的諧振頻率和激勵單元的諧振頻率接近時，可以在天線的軸比曲線中觀察到多個諧振點，繼而天線的圓極化帶寬得到了展寬[11-12]，并改善天線的方向圖，使其在低仰角下獲得較高的增益。

圖 1 天線模型及幾何參數(shù)

該天線采用同軸線饋電，饋電點位于貼片的中心偏下3.5mm處，(a)模型設計為多枝節(jié)輻射貼片，并進行切角實現(xiàn)圓極化，(b)模型設計為方形切角輻射貼片，并且采用銀電極將其印刷在相對介電常數(shù)為19.7、損耗角正切值為0.0005、尺寸大小為35mm×35mm×5.5mm的陶瓷基板上。

通過電磁仿真軟件HFSS對天線進行仿真設計，優(yōu)化后的天線參數(shù)如表1所示。

表1 天線的結構參數(shù)（單位：mm）

2 仿真結果分析

2.1 S11曲線分析

天線阻抗特性曲線的仿真結果如圖2所示：

從圖2可以看出，兩種設計天線的中心頻率均為1268MHz，滿足北斗B3天線的使用要求，多枝節(jié)輻射貼片設計天線的回波損耗S11≤-10dB的帶寬大于方形切角貼片設計，分別為(a):1254-1286MHz，(b):1254-1282MHz，其絕對帶寬分別為32MHz和28MHz，可見，在保證中心頻率不變的情況下，通過多枝節(jié)輻射貼片，增加了寄生單元，引入新的諧振頻率，使之產生耦合，拓寬了天線的帶寬。

圖 2 兩種設計天線的S11曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

2.2 天線駐波比曲線分析

天線駐波比特性曲線的仿真結果如圖3所示：

圖3 兩種設計天線的駐波比曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖3可以看出，兩種設計天線的駐波比均較低，在1268MHz的時候分別為1.18和1.05，多枝節(jié)輻射貼片天線的駐波比較高，但從圖也可以看出，多枝節(jié)輻射貼片設計天線駐波比底部較為平穩(wěn)，在駐波比小于1.5的范圍內，多枝節(jié)輻射貼片設計頻率范圍為1259-1282MHz，而方形切角貼片設計頻率范圍為1258-1278MHz。

2.3 天線軸比曲線分析

天線軸比特性曲線的仿真結果如圖4所示：

圖4 兩種設計天線的軸比曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖4可以看出，兩種設計天線的軸比均較低，在0°方向上，多枝節(jié)輻射貼片設計的天線軸比為1.07dB，在E平面上θ為-100°-100°時小于3dB；而方形切角貼片天線的軸比為1.06dB，在E平面上θ為-100°-100°時小于3dB，兩種設計軸比的重合性較高。

2.4 天線增益曲線分析

天線增益特性曲線的仿真結果如圖5和表2所示：

表2 兩種天線在不同仰角下的增益

圖5兩種設計天線的增益曲線：(a)多枝節(jié)輻射貼片,(b)方形切角貼片

從圖5可以看出，天線的增益及圓極化性能良好，在1268MHz的頻率下，多枝節(jié)輻射貼片設計天線的增益最大值為4.71dBic，略高于方形切角貼片設計天線的增益4.57dBic，而且多枝節(jié)輻射貼片設計天線的尾瓣較小，這也是其0°增益大于方形切角貼片設計天線的原因。從表3可以看出，在E平面上不同的θ角下，多枝節(jié)輻射貼片設計的增益同樣略高，尤其是在低仰角下（70°和-70°），多枝節(jié)輻射貼片設計天線比方形切角貼片設計天線有很大的優(yōu)勢，其總體增益高了0.2dBic左右。同時本設計天線增益為-0.67dBic@θ=-70°，大于朱艷玲等[13]的設計-1.4dBic@θ=60°，在低仰角下有較大的增益，滿足使用要求。

表3 與其他北斗B3微帶天線設計參數(shù)對比

從表3可知，本文研究的微帶天線在北斗B3頻段的最高增益及低仰角下增益都有很大的優(yōu)勢，文獻[18]所示的天線增益較高是因為天線的尺寸更大（R=48mm，H=30mm），并且加了金屬銅套，增加了其頂點增益。

3 天線實物制作及與仿真結果對比

根據(jù)以上仿真結果分析可知，多枝節(jié)輻射貼片設計陶瓷天線有較好的性能，因此，按此制作了天線的實物，照片如圖6所示。

圖6 天線實物圖

此天線測的中心頻率為1268MHz，其他參數(shù)測試與仿真結果對比如表4所示。

表4 多枝節(jié)輻射貼片天線仿真與實測參數(shù)對比

從表4可以看出，天線在低仰角下的增益和仿真結果對比有一定的差距，這主要有2個原因：1、可能是天線在加工過程中的誤差導致；2、可能是陶瓷材料在燒結過程中的不致密性造成的，本設計時所用的微波介質陶瓷的損耗為0.0005，實際在陶瓷成型及燒結過程中陶瓷的損耗增大，達到0.001左右，使最終天線的性能變差，后續(xù)需要在原材料方面進行進一步研發(fā)。

4 結論

針對我國BDS系統(tǒng)B3天線的頻段需求，設計了尺寸為35mm×35mm×5.5mm的北斗陶瓷天線，，研究了不同貼片結構對北斗天線參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)多枝節(jié)輻射貼片設計的天線帶寬和增益要略高于方形貼片，其他參數(shù)相差不大。最終設計出中心頻率在1268MHz，帶寬32MHz，駐波比1.18，軸比1.07dB，增益4.71dBic@θ=0°、2.72dBic@θ=40°和-0.87dBic@θ=70°的北斗陶瓷天線，并參照仿真設計制作了天線實物，對比了其性能。但本設計由于所用微波介質陶瓷材料的參數(shù)局限性，限制了陶瓷天線的尺寸及參數(shù)性能，以后還有改進的空間，而且微帶陶瓷天線發(fā)展方向是高性能小型化，隨著陶瓷材料技術水平的進步，必然會產生更多優(yōu)秀的天線設計。

此天線在低仰角下有較大的增益，能滿足多種地形條件下北斗接收設備的需求，而隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) 的快速發(fā)展以及對天線的小型化多頻段的要求，本文設計的北斗衛(wèi)星天線具有廣闊的應用前景。