基于腔模理論的雙頻圓極化GNSS天線設計

基于腔模理論，結合多饋點網(wǎng)絡和短路銷釘加載等技術，提出并設計了一種雙頻圓極化層疊結構的微帶天線。通過時域有限差分法（FDTD）模擬仿真，結果表明，該結構可實現(xiàn)雙頻圓極化，并具有尺寸小、頻帶寬等特點，這些特性使其在未來的無線通信領域中有著重要的發(fā)展和應用前景。

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）由于其具有全能性（陸地、海洋、航空和航天）、全球性、全天性、連續(xù)性和實時性的導航、定位與定時功能，能為各類用戶提供精密的三維坐標、三維速度和時間信息，而備受人們青睞。天線作為衛(wèi)星導航系統(tǒng)的終端起著舉足輕重的作用，其性能直接影響著整個系統(tǒng)。

通常應用于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的終端天線有四臂螺旋天線和微帶天線兩種形式。四臂螺旋天線通過改變其物理尺寸可形成不同的輻射方向圖來滿足不同空間的應用需求，但由于其成本高，軸向尺寸大等缺點極大地限制了它的發(fā)展。與此同時微帶天線的出現(xiàn)使人們看到了希望，由于其體積小，剖面低，能與載體共形，易于實現(xiàn)圓極化等優(yōu)點受到了人們的極大關注，而頻帶窄，增益小等缺點也阻礙著其發(fā)展，但同時吸引著大量的研究。目前基于不同饋點個數(shù)，和新型貼片結構的微帶天線得到了廣泛的研究。Chari Ricky和Mak Chi-Lun等人提出了通過在貼片上開E型槽來得到滿意的帶寬，但這種方法所設計的天線尺寸很大。在文獻中介紹了加載短路銷釘?shù)膱A形微帶天線和矩形微帶天線，在天線的工作頻率上，天線的尺寸縮小了89％。本文結合上述兩種方法提出并設計了一種新型的層疊結構的微帶天線，通過在貼片上對稱的開四個槽，并利用使各饋點之間的相位相差90°的旋轉饋電技術，有效地擴展了天線的阻抗帶寬，并使天線的尺寸減小了26％。

1 腔膜理論分析

選擇如圖1所示的坐標系，當h《《λ0時，假設貼片與接地板之間的磁場只有Hx和Hy分量，電場只有Ez分量，內場不隨z坐標變化，四周為磁壁，貼片和接地板之間為電壁。

Ez滿足波動方程：

由麥克斯韋方程組可解得Hx和Hy：

即得到腔內的場分布，同時可得到天線的諧振頻率為：

由以上計算可得天線的貼片尺寸a和b，其中a和b是考慮了邊緣效應后的等效尺寸，它與物理尺寸a’和b’之間的關系為：

分別為基片的厚度和等效介電常數(shù)。

2 天線模型的設計及優(yōu)化

基于腔膜理論結合表面開槽法（曲流技術）和短路銷釘加載技術，本文設計并優(yōu)化了一種新型的小型化層疊結構的微帶天線，其結構如圖2所示。它由上、下兩層貼片，短路探針及同軸線組成，采用雙層貼片，上、下兩層選用相同介電常數(shù)的聚四氟乙烯材料（相對介電常數(shù)εr1= εr2=4．4，損耗角正切值為tanδ=0．001），基片厚度為4 mm。同軸線通過下層貼片的鉆孔連接到上層貼片，下層貼片是上層貼片的寄生單元，通過探針直接饋電。通過調節(jié)上、下兩層貼片的尺寸實現(xiàn)L1（1．575 GHz）和L2（1．227 GHz）兩個諧振頻率。基于波瓣寬度、效率及帶寬性能的考慮選用正方形微帶貼片作為輻射單元，并在貼片邊緣對稱地開四個矩形槽，既保證了這種單元結構的對稱性，同時可實現(xiàn)良好的正交極化輻射特性；又可通過調節(jié)所開矩形槽的尺寸，在反射損耗基本不變的情況下極大地改善了天線的軸比帶寬，使其軸比帶寬在一定程度上得到了擴展；同時由于在貼片上開槽使貼片的表面電流路徑增長，降低了其諧振頻率，從而減小了貼片的尺寸，使其滿足了實際應用中要求的指標。

采用電磁仿真軟件CST，應用時域有限差分法對所設計的天線進行模擬仿真，通過仿真分析及優(yōu)化，下層貼片尺寸L2×L2=51．6 mm× 51．6 mm，縫隙的尺寸Ls2×Lw2=10．2 mm×5 mm，上層貼片尺寸L1×L1=39．5 mm×39．5 mm，縫隙的尺寸Ls1×Lw1=7．8 mm×5 mm。基于天線的對稱結構采用8個同軸饋點對天線進行饋電，上下兩層貼片均采用4個饋點錯位倒向饋電技術，使天線的相位中心和圓極化性能保持穩(wěn)定。

根據(jù)前面的設計所的得到的仿真結果如圖3～圖5所示。天線在1．521～1．629 GHz和1．153～1．313 GHz頻段上，反射損耗S11《-10dB，且在中心工作頻點1．575 GHz和1．227 GHz上反射損耗S11分別為-18．1 dB和-20．9 dB（如圖3所示）。圖4為1．575 GHz和1．227 GHz頻段上天線的極化軸比仿真結果，由此可見，在1．575 GHz，天線在-59°～59°范圍內其極化軸比小于3 dB；在1．227 GHz，天線在-65°～+65°范圍內其極化軸比小于3 dB。圖5給出了1．575 GHz和1．227 GHz頻段上圓極化天線的方向圖仿真結果，該仿真結果說明，當頻率為1．575 GHz時，天線在ψ=0°方向的增益為6．1 dB，半功率寬度為104．5°；當頻率為1．227 GHz時，天線在ψ=O°方向的增益為8．4 dB，半功率寬度為90．9°，以上性能均滿足實際工程中的要求。

3 結語

應用腔膜理論和時域有限差分法分析并設計了雙層結構微帶層疊結構。該層疊結構微帶天線的設計結合了曲流技術和加載短路銷釘技術，使用CST電磁仿真軟件仿真。仿真結果表明，該天線的增益、阻抗帶寬等均優(yōu)于同結構的矩形貼片微帶天線，完全滿足GNSS天線的性能要求，天線還具有結構簡單、體積小、易于加工等諸多優(yōu)點，有望在無線通信領域中得到重要的應用。