肖天灵，陈星

（四川大学电子信息学院，四川成都,610064）

0 引言

北斗导航卫星系统(BeiDou navigation satellite system, BDS)是我国自主独立研发的卫星导航定位系统，是全球全球导航卫星系统之一[1]。它分为北斗一号、北斗二号和北斗三号3个建设发展阶段。最新一代北斗三号导航卫星系统(BDS-3)公开信号为 B1C、B2a、B2b三个信号[2]，其中B1C信号应用较为广泛，同时某些应用中为了实现与北斗二号导航卫星系统(BDS-2)的平稳过渡，需要同时覆盖其 B1I信号。因此，北斗天线作为北斗导航卫星系统的关键组成部分，就需要同时覆盖B1I(中心频率1.561GHz，绝对带宽4.092MHz)与B1C(中心频率1.575GHz，绝对带宽32.736MHZ)两个工作频段，即相对带宽需要超过2.1%；此外，由于天线的设计尺寸将直接关系到整个导航定位系统终端设备的尺寸，为了方便安装，同时更好地满足精确导航的需要，北斗天线往往还需要具有结构紧凑、尺寸远小于其工作波长、圆极化等特点。

目前，传统的北斗天线多为微带贴片形式。微带贴片天线实现圆极化的主要馈电方法包括单馈法和多馈法，其中不需要引入馈电网络的单馈法因结构简单、适合各种形状的贴片而得到广泛应用。在设计圆极化的单馈微带贴片天线时，经常采用扰动方法，包括截断方形辐射贴片的一对对角[3]，在辐射贴片上嵌入交叉缝隙[4]或者在辐射贴片上嵌入四个大小不等的圆形缝隙[5]，在方形贴片的四个角加载四个大小不等的圆形贴片[6]等，但它们整体尺寸较大，不利于实现系统集成化与小型化。为了减小圆极化贴片天线的尺寸，论文[7]采用圆形与正六边形嵌套迭代的三阶类 Sierpinski 分形结构作为辐射贴片减小尺寸，其结构较为复杂，不易于精确加工；论文[8-9]通过使用高介电常数的介质板进行小型化，但采用高介电常数的介质板会减小贴片周围的边缘场，进而降低了天线的辐射效率,并且天线成本也较高。

2008年，Erentok 和Ziolkowski 等人提出了近场耦合谐振原理[10]，该理论基础来源于在负介电常数(ENG)、负磁导率特异材料(MNG)或双负特异材料(DNG)的环绕球壳中放置偶极子天线。此时的偶极子天线不需要通过额外的匹配电路，就能够实现良好的阻抗匹配，同时具有较高辐射效率的优越性能，偶极子天线的电尺寸也极大地减小，该特性在之后的多种NFRP天线设计中得到了验证。随后，Jin和Ziolkowski 等人提出了基于近场耦合谐振原理的电小的线极化以及圆极化天线，其中的圆极化天线类似于单馈圆极化微带贴片天线仅需要一个馈电点，初步展现了近场耦合谐振技术在设计圆极化天线方面的优越性，这就为小型化北斗天线设计提供了一种很好的选择。近年来，随着近场耦合谐振原理的广泛应用，各类宽带圆极化NFRP天线被提出，其中论文将单馈交叉偶极子天线与近场谐振寄生(NFRP)元件组合，实现了圆极化NFRP天线的宽带设计，尽管该天线辐射出的双向电磁波不符合北斗天线的要求，但该设计为实现基于近场谐振技术的电小、宽带、圆极化的北斗天线提供了思路。

当前研究中少有利用近场耦合谐振技术来设计电小、宽带、圆极化、高效率的北斗天线。本文便利用近场耦合谐振技术设计了这样一款北斗天线，其中单馈交叉偶极子产生高频段圆极化辐射，作为NFRP元件的交叉埃及斧偶极子产生低频段圆极化辐射，两者结合形成宽带圆极化辐射，并与同轴线实现良好的阻抗匹配。两元件均采用曲折线和箭头末端两种技术，以进一步减小电尺寸。NFRP元件不仅用来产生额外的谐振和圆极化辐射，同时还作为一个反射器使得该天线产生向上辐射的方向图以满足北斗天线对方向图的要求。最后交叉偶极子附近的4个T型谐振结构用于进一步改善天线的带宽。

1 天线结构与设计

1.1 天线结构

本文设计的NFRP北斗天线采用两块大小一致的高频印刷基板(Printed Circuit Board,PCB)制作，PCB板型号为RogersRT5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。天线详细结构如图1所示，它由交叉的偶极子驱动器、交叉埃及斧偶极子反射器、T型谐振结构、的同轴线、两个方形的PCB和PMI泡沫板组成。其中交叉偶极子分布在上边PCB的上下两侧，而NFRP位于下边PCB的底部。将PMI泡沫板()夹在两个PCB之间作为支撑结构。同轴线穿过下边PCB与NFRP，直接馈电于交叉偶极子，4个T型谐振结构分布在上边PCB各边的中心位置，使天线整体结构更加紧凑。经过优化设计，该NFRP北斗天线的结构参数如表1所示。

图1 NFRP北斗天线详细结构

表1 NFRP北斗天线的结构参数值 (单位：mm)

1.2 天线设计过程

该天线设计过程大致可以总结为四步。第一步是设计驱动元件即交叉偶极子使其以略高于目标工作频率的频率产生谐振。这是因为当电容式埃及斧偶极子元件与之集成时，谐振频率将被拉低；第二步是将反射器即交叉埃及斧偶极子集成到下边PCB底部，其设计方式与第一步类似。需要注意的是，在这个设计阶段，为了反射从交叉偶极子辐射到交叉埃及斧偶极子方向的电磁波，同时为了在低频段产生谐振点与圆极化辐射，交叉埃及斧偶极子有更长的箭头末端；第三步是仔细调整交叉偶极子和交叉埃及斧偶极子之间的距离，以微调整个系统，使其在目标工作频率下谐振，同时产生恰当的近场耦合使得北斗天线整体辐射辐射方向向上；第四步是调整T型谐振结构的大小以及其他设计参数，如臂宽度（Wd1和Wd2）、箭头末端宽度（wb1和wb2）,枝节上凸出处半径（Ra1和Ra2），以提高天线的输入阻抗匹配和3dB轴比特性。

图2给出了不含NFRP元件与T型谐振元件、含有NFRP元件不含T型谐振元件、同时含有NFRP元件与T型谐振元件这三种情况下天线的输入阻抗S11与轴比的对比图。从图2(a)（b）可以看到情况一即不含NFRP元件与T型谐振元件时，|S11| < -10dB的工作频带为1.54-1.68GHz，3dB轴比带宽为1.55-1.66GHz；当情况二即含有NFRP元件不含T型谐振元件时，|S11| < -10dB的工作频带为 1.51-1.79GHz，相比于情况一在高低频均有所提升，整体阻抗带宽增加了140MHz，3dB轴比带宽为1.53-1.66GHz，相比于情况一主要在低频段拓宽了带宽，整体3dB轴比带宽增加了20MHz，这说明NFRP元件即埃及斧偶极子的引入的确有效地提升了阻抗带宽与轴比带宽；当情况三即同时含有NFRP元件与T型谐振元件时，|S11| < -10dB的工作频带为1.49-1.87GHz，相比于情况二低频段基本不变，高频段增大80MHz左右，3dB轴比带宽为1.52-1.69GHz，相比于情况二增加40MHz，这说明T型谐振结构能够进一步改善天线的阻抗带宽与轴比带宽。

图2 是否含有NFRP与T型结构天线的性能对比

图3给出了不含NFRP元件与含有NFRP在1.561GHz与1.575GHz时仿真得到的天线三维方向图。可以看到，没有NFRP元件时，天线方向图类似于y方向的电偶极子；有NFRP时，天线呈端射(+Z)模式，充分说明了近场谐振元件埃及斧偶极在整个天线系统中起到了反射器的作用，反射了直接的馈电交叉偶极子向NFRP元件方向产生的电磁波。

图3 1.561GHz和1.575GHz有无NFRP仿真方向图

2 天线的仿真与测试结果

本文设计了一款|S11|<-10dB的工作频带为1.49-1.87GHz（相对带宽22.6%），3dB轴比带宽为1.52-1.69GHz（相对带宽10.6%）基于NFRP的北斗天线，通过仿真优化后，对天线进行了加工和测试。该天线的实物如图4所示，该天线尺寸为 34mm×34mm×13.4mm。

图4 天线实物图

使用安捷伦矢量网络分析仪安立MS46322A对安装好的天线进行测试，天线S11实测与仿真对比如图5所示，可以观察到，实测和仿真结果吻合良好，|S11|<-10dB的阻抗带宽为1.49-1.87GHz(相对带宽22.6%)；另外在微波暗室中测试了天线的轴比，AR随频率变化曲线如图6所示，可以观察到，实测和仿真结果基本吻合，3dB轴比带宽为1.52-1.69GHz(相对带宽10.6%)，曲线走势并不完全一致是因为在实际测试中选取测试的频率点不如仿真中设置得那么多。另外E面方向图实测与仿真对比如图8所示，仿真和测量结果表明，该天线E面上均能产生较宽、近似对称的宽边辐射。实测得知在1.561GHz时E面半功率波束宽度为137°，在1.561GHz时E面半功率波束宽度为136°，均能满足北斗三号导航卫星对半功率波束宽度的要求。最后通过实测得到的增益以及仿真得到的方向性系数由公式（1）计算可得整个3dB轴比频段内辐射效率如图8所示，可见仿真与实测绝大部分频点辐射效率均超过80%。

图5 天线S11仿真和测量结果

图6 天线AR仿真和测量结果

图7 天线在频率点 1.561GHz、1.575GHz 的E面仿真和实测方向图

图8 天线辐射效率

3 结论

本文提出了一款电尺寸较小、带宽较宽、圆极化、高效率的北斗天线，该天线设计采用近场谐振技术实现小型化与高效率辐射，同时交叉偶极子与NFRP元件均采用曲折线与末端箭头结构实现了天线的进一步小型化。交叉埃及斧偶极子产生的额外的圆极化谐振和最小轴比点与交叉偶极子产生的圆极化谐振和最小轴比点相结合，拓宽了天线的带宽，同时充当了反射器，实现了北斗天线所需要的定向辐射，T型谐振结构进一步拓展了3dB轴比带宽。加工了该天线并进行了实测。整体电尺寸为为1.49GHz对应波长，|S11|<-10dB带宽为 380MHz(1.49-1.87GHz，22.6%)，3dB轴 比带宽为 130MHz(1.52-1.69GHz，10.6%)，整个频段内辐射效率均超过80%，且采用了低介电常数的PCB降低了加工成本。这些特性为北斗天线的设计提供了一种新的思路。