刘永鑫，胡永辉，侯雷



一种右旋圆极化微 带天线的设计

刘永鑫1,2,3，胡永辉1,2，侯雷1,2

（1. 中国科学院国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600；3. 中国科学院大学，北京 100049）

在传统圆形微带天线的基础上，设计了一种北斗卫星导航系统的右旋圆极化微带贴片天线。基于腔模理论，采用在传统的圆形贴片天线上开槽和单一馈电点的方法，设计仿真天线的优化模型。优化结果显示椭圆极化轴比<3dB，实现了天线的圆极化。已根据仿真优化结果由PCB制板制作出圆极化天线样品。在北斗B1（1561MHz）频点上，把样品接入北斗授时型接收机系统进行对比测试，系统运行稳定。仿真结果及测试结果均说明该方案是可行的。

北斗卫星导航系统；右旋圆极化；微带天线；卫星导航

0 引言

近年来随着我国的北斗卫星导航系统的日趋完善，微带天线以其重量轻、尺寸灵活、成本低、结构简单、易共形和低剖面等特点已在空间技术、蓝牙及其他便携式设备、医用微波探头和定位导航领域得到了广泛应用。然而，相较普通微带天线频带较窄、极化损耗大、受雨雾干扰大的缺点，圆极化微带天线在继承普通微带天线优点的基础上具备如下优点：1）可接收任意极化的电磁波，因而能够普遍应用于电子侦察和干扰中；2）利用其旋向正交性，使其在分集技术和电子对抗中得到了广泛使用；3）由于圆极化电磁波可以入射对称目标，因此在移动通信和GPS领域应用它能够抑制雨雾干扰和抵抗多径反射[1]。并且，由于我国北斗卫星导航系统内所有卫星发射信号都是右旋圆极化电磁波，所以研究右旋圆极化微带天线具有重要意义[2]。

鉴于此，本文在圆形微带天线的基础上研究设计了一种右旋圆极化微带天线。使用表面开槽的方法，分离出2个幅度相等、相位相差90°的简并模，基于腔模理论，用几何微扰的方法计算出开槽的尺寸，使分离出的2个正交简并模实现右旋圆极化。

1 圆极化微带天线的设计与实现

目前圆极化微带天线主要由谐振式和行波式来实现[3]。谐振式可分为单馈法、多馈法和多元法。由于单馈法具有结构简单、无需外加相移网络和功分器等优点，因此本文采用单点同轴馈电，基于腔模理论，通过在圆形微带天线上引入几何微扰，利用简并模分离元产生2个辐射正交极化的简并模，从而实现右旋圆极化[3]。该天线的结构示意图如图1所示。其设计与实现流程如图2所示。

图2 设计与实现流程图

参数计算模块中，通过腔模理论计算出圆形微带天线贴片的半径、馈电点距离天线几何中心的距离，通过几何微扰法粗略计算出简并分离单元面积等参数。

仿真优化模块中，使用三维电磁仿真软件HFSS建模仿真，获得回波损耗（1，1）图、阻抗匹配史密斯圆图（Smith Chart）和椭圆极化轴比图。回波损耗（1，1）可以作为微带天线频点的依据，史密斯圆图可以作为天线阻抗匹配的依据，椭圆极化轴比图可以作为天线右旋圆极化的判断的依据。根据仿真结果，通过HFSS软件中Optimetrics工具对指定参数进行分析优化。

最后根据仿真优化结果，通过PCB制版制作天线样品后对样品进行实效测试。

1.1 圆形微带天线的参数计算

1.1.1 圆形贴片半径求解

1.1.2 馈点距离天线几何中心的距离的求解

粗略计算天线的谐振电阻以确定天线的馈电点距离天线几何中心距离的大概位置。记′为馈电点距离天线几何中心距离，在馈电点的输入电阻为[8]

综上所述，选取介质PMMA的高度=6 mm，根据介质本身的特性其损耗正切角tan= 0.001，由于天线下一级的射频电路绝大多数的输入阻抗为50Ω，且射频连接线及接插件的特性阻抗也均为50Ω，故为便于与下一级电路的阻抗匹配，本文所设计的天线在馈电点的输入阻抗应为50Ω，于是由上述公式确定馈电点的大概位置为′ =11.3 mm。

1.1.3 简并分离单元尺寸求解

天线圆极化一般是分离出2个幅度相等，相位相差90°的简并模来实现，对于单点馈电的天线实现圆极化的方法也有很多种，例如细微改变天线形状（切角，近似方、圆形等），表面开槽，外加相移网络等[9]。

图3 表面开槽示意图

1.2 圆形微带天线的仿真优化

1.2.1 回波损耗(1,1)的优化结果

图4（1，1）仿真结果

1.2.2 归一化阻抗仿真优化结果

图5为馈电位置为11.3mm时的史密斯圆图，图5显示在1.55GHz时的归一化阻抗为=1.1061-0.1561，换算为阻抗=（55-7.5）Ω，满足50Ω阻抗匹配要求。

图5 史密斯圆图

1.2.3 椭圆极化轴比仿真优化结果

图6 轴比仿真结果

1.3 PCB制板及天线对比实测

根据仿真优化结果，由PCB制板制作天线样品，图7所示为天线样品。

图7 天线样品

将天线样品接入北斗卫星导航系统B1频点的北斗授时型接收机系统进行测试，如图8所示。测试表明，天线“捕获”的卫星信号稳定，测得接收机信噪比为65~73dB。同等测试环境下，将TOJIN公司的北斗B1频点右旋圆极化天线接入进行测试，如图9所示，测得其信噪比为61~70 dB。

图8 天线样品实测系统

图9 对比实测系统

2 结论

根据腔模理论，分析了微带天线实现圆极化的基本原理，并根据分析以及给定参数对B1频点 （1561MHz）大概求得贴片面积、开槽尺寸、馈电点位置等参数，利用HFSS软件进行建模仿真，参照优化后回波损耗（1，1）图、史密斯圆图和椭圆极化轴比图说明在基本的圆形微带天线上开槽加之合适的馈电点位置可以实现微带天线的右旋圆极化。

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A design of right-handed circular polarization microstrip antenna

LIU Yong-xin1,2,3, HU Yong-hui1,2, HOU Lei1,2

(1. National Time Service Centre, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;2. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710600, China;3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Based on traditional round micro-strip antenna, a right-handed circular polarization micro-strip patch antenna has been designed for Beidou satellite navigation system. Based on the cavity-model theory, an optimized model has been designed and simulated by using the method of making slots on the traditional round patch antenna and setting signal feed point. The optimized result shows that the ellipse polarization axial ratio is less than 3dB, realizing the round polarization of antenna. On the basis of simulated optimization result a prototype of round polarization antenna has been produced via PCB platemaking. The prototype of round polarization antenna was connected to Beidou time-service receiver at B1 frequency point of 1.561 MHz for test and comparison, and the system ran stably. The simulation and test indicate that the design is feasible.

Beidou satellite navigation system; right-handed circular polarization; micro-strip antenna; satellite navigation system

TN820.1+1

A

1674-0637(2014)02-0098-06

2013-04-08

中国科学院“西部之光”人才培养计划重点资助项目（2009ZD02）

刘永鑫，男，硕士，主要从事天线及射频电路研究。