一种短路环状叠层宽带GNSS天线设计

2016-10-18唐洪军,郑先宝,张书文

中国科技信息 2016年18期

一种短路环状叠层宽带GNSS天线设计

多模卫星导航系统（GNSS）包括GPS（美国），Compass（中国），GLONASS （俄罗斯），还有Galileo（欧洲）。GNSS天线要求结构紧凑，质量轻，低损耗，以便用于小卫星，空中飞机，船舶，还有地面上的移动终端。

在文献中已经提出了很多解决方案来设计双频段圆极化天线。文献中，为了获得GPS L1-L2频段的天线，作者使用简单馈电的切角贴片。然而，这种方法的缺点是轴比（AR）带宽较窄。文献中，作者采用了电容馈电的双层方形贴片和超材料线的功分器，实现了宽带圆极化天线，但天线太厚。

本文计了一种可用于多模卫星导航系统（GNSS）的短路环状层叠圆极化天线，工作带宽为1100MHz-1600MHz，可以同时工作在四种导航系统。本文设计的天线主要有以下特点：（1）一个180°宽带移相器，两个90°宽带移相器和L形馈电探针作为天线的馈电网络，可以获得较宽的阻抗带宽与轴比带宽。（2）本文采用双层馈电网络结构，这样可以有效地减小馈电网络尺寸。（3）次级馈电网络沿着对角线排布，可以有效地利用有限空间。（4）短路环状层叠贴片作为辐射贴片可以获得稳定的增益带宽、宽波束以及宽角轴比特性。

天线设计

天线结构示意图如图1所示，天线结构主要由5层。第一层介质的顶部为上层环状贴片，底部为下层环状贴片，上层贴片与下层贴片通过金属臂连接。第二层介质隔离开下层贴片与L形耦合探针。四个L形探针起到激励环形贴片和阻抗变换的作用。L形探针包括四个矩形金属条带和四个金属柱，矩形金属条带印刷在第三层介质的顶部，金属柱穿过第三层介质和90°移相器连接在一起。第四层与第五层为馈电网络层。从图2可以看出，馈电网络在相邻的端口能够实现90°的相位差。图3为馈电网络仿真的回波损耗，幅度响应与相邻端口的相位差曲线。从图中可以看出，在1.1GHz-1.6GHz时，幅度起伏在0.5dB以内，相位起伏在±4°以内。网络性能的优劣直接影响到天线圆极化性能的好坏。

天线的关键尺寸如下： L=70mm， εr=4.4，tanσ=0.02，d1=52mm，d2=27mm，d3=10mm，h1=3mm，h2=3mm，h3=14.5mm，h4=4mm，h5=4mm。

图1　天线结构图

图2　馈电网络结构

试验测试结果

图4为天线的实物图，天线的整体尺寸为70mm×70mm×28.5mm。图5为仿真与实测驻波对比曲线，从图中可以看出，实测驻波小于2的相对带宽为50.8%，从1.1GHz到1.85GHz。图6为在最大辐射方向仿真与实测轴比对比曲线，3dB轴比带宽为45.5%，从1.07GHz到1.7GHz。天线的阻抗与轴比带宽能够覆盖整个GNSS频段。天线在微波暗室测量方向图特性。图7为在1.4GHz实测XOZ与YOZ面轴比方向图曲线。从图中可以看出， XOZ平面AR<5dB 的角度为-115°-90°，YOZ平面AR<5dB 的角度为-45°-110°。图8 为1.4GHz实测方向图曲线，在仰角>10°时增益都大于-5dBi。图9为天线实测增益曲线，在频带范围内，天线的右旋增益都在2.5dBi以上。