摘 要： 設計了一款應用于導航衛星系統的多頻段圓極化微帶天線。天線采用復合左右手傳輸線移相器作為饋電網絡，展寬阻抗帶寬并且實現了良好的右旋圓極化輻射。該天線工作在導航衛星系統GPS、BDS-2和GLONASS工作波段。采用Ansoft HFSS 13.0軟件仿真，仿真結果表明該天線能夠滿足導航衛星信號的要求。該天線具有結構緊湊、頻帶寬、體積小、易于加工等特點。
關鍵詞： 多頻段；圓極化；微帶天線；功分器
0 引言
現在，全球導航衛星系統（GNSS）已廣泛應用在民用和軍用領域。目前，GNSS包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已經覆蓋全球。北斗一代可以同時提供導航和通信服務，并且在中國已成功應用；2012年，北斗二代向亞太大部分地區正式提供服務。隨著多模衛星組合導航技術的發展，可以接收多個頻率信號的衛星接收天線得到了廣泛的關注。導航衛星信號要求導航終端天線具有良好的右旋圓極化特性[1]。為了滿足多模和多波段導航技術要求，需要設計一個多波段、圓極化天線。
微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低、容易生產等特點，但是主要的缺點就是頻帶窄。因此，如何實現寬頻帶圓極化天線是最近幾年研究的熱點[2-5]。然而大多數天線只能覆蓋單頻[2]或者單模[4-5]。參考文獻[3]中提出的天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3以及BDS-1頻帶，與本文天線相比，該天線尺寸大、厚度厚，而且饋電網也復雜，需要使用4個威爾金森功率分配器，除此之外，它也不能覆蓋GPS L2和L5、BDS B2頻帶。
本文設計了一個堆疊、分形、開槽的貼片天線，能夠覆蓋GPS、GLONASS和BDS-2的頻帶。天線背面是一個復合左右手傳輸線90°移相器[6]，可以實現更好的右旋圓極化。
1 天線的設計
1.1 堆疊貼片設計
本文設計的GNSS天線工作頻率范圍為1 164 MHz~1 230 MHz和1 559 MHz~1 610 MHz，其為右旋圓極化輻射；50 ?贅饋電匹配。由于GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1相距較近，可將它們視為一個頻段，即高頻段（1 559 MHz~ 1 610 MHz），由頂層天線得到該頻段；而GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3相距比較近，將它們視為另一個頻段，即低頻段（1 164 MHz-1 239 MHz），由底層天線得到該頻段。
天線的結構尺寸如圖1所示。頂層是分形的方形貼片和一個寄生分形方環形貼片，底層是一個分形的方形貼片，可以實現多頻段，而且可以減小天線體積。每個貼片都設計成分形的方形結構，這樣天線制造出來后便于調節阻抗匹配。上下兩個天線之間沒有空氣間隙，制造起來方便。頂層天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1頻段（1 559 MHz~1 610 MHz），底層天線覆蓋GPS L2 L5、GLONASS L2、BDS-2 B2 B3頻段（1 164 MHz~ 1 239 MHz）。上下兩層的貼片都印刷在相對介電常數εr為9.6、厚度為4 mm的微波復合介質板上。利用商業電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0設計和優化天線。天線尺寸如下：L×L=55×55（mm2），L1×L1=35.5×35.5（mm2），L2×L2=30.2×30.2（mm2），L3×L3=37×37（mm2），L0=4.5 mm，頂層的輻射貼片和寄生貼片間隔2 mm。
1.2 饋電網絡設計
天線背面是一個復合左右手傳輸線（Composite Right/left-Handed Transmission Line，CRLH）90°移相器[7]，它的結構如圖2所示。它由兩部分組成：一個Wilkinson功率分配器和兩段相移電路（一段是復合左右手傳輸線，一段是傳統的右手傳輸線）。Wilkinson功率分配器將輸入功率等分到兩個輸出端口，同時保持兩個端口良好的隔離度，CRLH和傳統的右手傳輸線提供寬帶移相。Wilkinson功率分配器中心頻率為1.385 GHz。左手部分由兩個T型集總元件網絡級聯而成，其中L=15 nH，C=6 pF。饋電網絡的介質板采用厚度為1 mm、尺寸與天線介質板相同、相對介電常數為2.65的聚四氟乙烯玻璃布板。
2 天線的仿真分析
天線反射系數S11如圖3所示。低頻反射系數S11（S11≤-10 dB）帶寬為170 MHz，即從1.12 GHz~1.29 GHz，可以覆蓋GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3頻段；高頻反射系數S11（S11≤-10 dB）帶寬為210 MHz，即從1.49 GHz~1.7 GHz，可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1頻段。
圖4是多頻天線在1.17 GHz、1.20 GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的軸比，它們在phi=0、Theta=0時，AR≤3.0 dB。圖5分別是多頻天線在1.17GHz、1.20GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的圓極化方向圖。
3 結論
本文設計了一個堆疊的多頻段圓極化微帶天線，用來接收導航衛星信號。天線上下層貼片采用分形結構可以減小天線尺寸，上層貼片的寄生貼片可以增加高頻段的阻抗帶寬，天線最下面用的是復合左右手傳輸線90°寬帶移相，可以獲得良好的阻抗帶寬和圓極化帶寬。
參考文獻
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