《电子技术应用》

北斗一代卫星导航终端高隔离度微带天线

2017年微型机与应用第6期 作者:陈侃,袁家德
2017/4/10 0:21:00

  陈侃,袁家德

  (福州大学 物理与信息工程学院,福建 福州 350002)

        摘要:设计了一款应用于北斗一代卫星导航终端的收发双端口高隔离度圆极化微带天线。天线采用单层嵌套结构并在贴片上切角实现双频双圆极化辐射,通过在收发两端口间加载探针短路墙提高天线两端口间隔离度。仿真与测试结果表明,该天线两端口分别工作于北斗导航系统的发射频段BD1L(中心工作频率1 616 MHz)和接收频段BD1S(中心工作频率2 492 MHz),收发两端口间隔离度|S12|在BD1S接收频段大于35 dB。

  关键词北斗卫星导航系统;微带天线;双频段;圆极化;高隔离度

  中图分类号:TN821.1-34文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.06.020

  引用格式:陈侃,袁家德. 北斗一代卫星导航终端高隔离度微带天线[J].微型机与应用,2017,36(6):66-67,71.

0引言

  *基金项目:福建省发改委2014年产业技术联合创新专项;福州市科技项目计划(2015G61)中国自行研发设计的北斗卫星导航系统目前已广泛应用在民用和军用领域,天线作为北斗卫星导航系统的重要组成部分,其性能直接影响导航系统的整体性能[1]。北斗一代卫星导航天线要求天线工作在BDS1 L频段(1 615.68±4.08 MHz)和BDS1 S频段(2 491.75±4.08 MHz),其中低频辐射左旋圆极化波,高频辐射右旋圆极化波,收发端口间的隔离度应大于15 dB[2]。

  微带天线具有剖面低、重量轻、成本低、容易生产等特点,在导航类天线中被广泛应用。然而大多数导航天线采用叠层结构实现多频[35],增加了天线的剖面。文献[4]采用叠层结构覆盖GPS双频,该天线利用高介电常数板材减小天线尺寸,其辐射性能好,但带宽较窄,加工精度要求高,造价高且剖面较大。部分北斗一代卫星导航天线采用单层结构降低剖面[68],文献[6]采用单层嵌套结构实现双频辐射,单馈切角实现圆极化,但双端口间隔离度差。文献[7]采用单层嵌套结构覆盖北斗一代收发双频,利用3 dB耦合器实现天线的圆极化辐射并提高收发端口间的隔离度,但结构复杂,增加了成本。文献[8]采用环形嵌套结构实现双频辐射,同时使用金属化过孔提高双端口隔离度,天线尺寸相对较大。

  本文设计了一款覆盖北斗一代收发双频的单层圆极化微带天线,天线结构简单,剖面低,易于加工,收发端口间具有很高的隔离度,辐射性能良好,适用于北斗卫星导航终端。

1天线结构与设计

  图1给出了天线结构示意图,天线辐射贴片采用嵌套结构,蚀刻在厚度为h的FR4介质基板上。天线整体尺寸为L×L×h,其中,内层贴片边长为L2,覆盖北斗一代接收频段BDS1 S频段,外层贴片尺寸较大,其边长为L1,覆盖北斗一代发射频段BDS1 L频段,内外贴片间留有环形槽,其宽度为w。外层贴片加载4个枝节的长度为a1,内层贴片缝隙的深度为a2,都是用来微调天线的谐振频率。

  

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  为了激励起内外贴片辐射圆极化波,天线采用单馈法且引入恰当的切角微扰,使简并模分离,激励出两个极化正交、幅度相等、相位相差90°的模式,实现圆极化辐射。外层贴片馈电点与天线中心的距离为d1,切角边长为c1,内层贴片馈电点与天线中心的距离为d2,切角边长为c2。

  由于内外贴片在同一层,耦合度高,相互影响大,端口间隔离度差,为了提高收发端口间的隔离度,在内外贴片间加载探针短路墙,将内外层电场隔离开,大大增加了收发端口间的隔离度。

  利用电磁仿真软件设计和优化天线,天线优化尺寸如下(单位:mm):L=75,L1=71,L2=28.3,w=2,a1=20,a2=0.7,c1=4.4,c2=3,d1=33,d2=5.8,d3=17,h=1.6。根据最优仿真结果加工天线。

2天线仿真及测试结果分析

  2.1S参数

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  图2天线S参数仿真与测试曲线图图2为天线S参数的仿真及测试结果,低频反射系数S11(S11≤-10 dB)仿真带宽为53 MHz(1.586 GHz~1.639 GHz),覆盖BDS-1 L 频段;高频反射系数S22(S22≤-10 dB)仿真带宽为88 MHz(2.449 GHz~2.537 GHz),可覆盖BDS1 S 频段。测试结果与仿真结果较好吻合。从图2中可以看出,天线端口间S12的仿真与测试结果在1.5~1.7 GHz频带范围内小于-40 dB,在2.4~2.6 GHz频带范围内小于-35 dB,说明天线收发端口间具有非常好的隔离效果。

  2.2轴比

  图3和图4是天线在北斗一代收发频段中心频率1.616 GHz和2.492 GHz处轴比仿真结果,由图可以看出在phi=0、theta=0时,xz面、yz面天线的轴比均小于3 dB且低频3 dB轴比波束宽度为80°,高频3 dB轴比波束宽度为110°。

  

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  2.3增益

  图5和图6是天线在频率为1.616 GHz和2.492 GHz处的增益方向图,从图中可以看出天线在低频辐射左旋圆极化波,增益为1.84 dB,在高频辐射右旋圆极化波,增益为3.08 dB。

  

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3结论

  本文设计了一款应用于北斗一代卫星导航终端的圆极化微带天线。该天线剖面低,完全覆盖北斗一代收发双频,加载探针短路墙,大大提高了收发端口间隔离度。天线结构简单,使用FR4板材,易于加工,仿真与测试结果表明天线性能良好,具有很好的应用前景。

参考文献

  [1] 李瑞, 郭晓栋, 吴多龙,等. 一种层叠结构双频圆极化GPS天线的设计[J]. 广东工业大学学报, 2011, 28(1):28-31.

  [2] Wu Qi, Wang Haiming, Yu Chen, et al. L/SBand dualcircularly polarized antenna fed by 3dB coupler[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2015(14):426429. [3] 陈兆丰, 潘锦. 应用于北斗和GPS的双频小型圆极化微带天线[J]. 电子科技, 2014, 27(12):116-119.

  [4] Chen Shichai, Liu Guangcong, Chen Xiangyu, et al. Compact dualband GPS microstrip antenna using multilayer LTCC substrate[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2010, 9(1):421-423.

  [5] 杨杰, 卢春兰, 沈菊鸿. 双频双圆极化小型化微带天线的设计[J]. 军事通信技术, 2013,34(3):16-19.

  [6] LI T W, LAI C L, SUN J S. Study of dualband circularly polarized microstrip antenna[C]. IEEE/ACES International Conference on Wireless Communications and Applied Computational Electromagnetics, 2005:7980.

  [7] Yang Xiaojie, Yuan Jiade. Dualband and dualcircularly polarized microstrip antenna with low elevation gain improvement for CNSS applications[J]. Microwave & Optical Technology Letters, 2016, 58(5):1016-1022.

  [8] 张景山, 陈胜荣, 杨忠. 一种单层双频微带天线[P]. 中国:CN102468534A, 201205-23.


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