紧凑五-五单元天线阵设计

王汇龙,徐澜飞,刘运林

(1.西南交通大学电磁所,成都 610031;2.中国西南电子技术研究所,成都 610036)

紧凑五-五单元天线阵设计

王汇龙1,徐澜飞2,刘运林1

(1.西南交通大学电磁所,成都 610031;2.中国西南电子技术研究所,成都 610036)

设计了一个五-五单元微带贴片天线,中心层叠天线单元结合矩形贴片表面电流分布原理,由独立馈电实现工作。分析了天线的驻波比、轴比、增益、天线单元间的隔离度,以及天线两个工作频段之间的隔离。实现了BD(B3)(“北斗”导航系统B3频段)和GNSS(全球导航卫星系统)两个导航定位频率的组合。不同频段天线单元复合布局,减小了天线的总体尺寸,能够应用于小型多功能接收机中。

导航接收机;微带贴片天线;双层贴片;圆极化

1 引 言

随着美国GPS系统在军事、民用方面的广泛应用,卫星导航与定位得到人们越来越多的关注,在要求具有可靠接收性能的同时需不断减小整个接收设备的尺寸。微带天线是20世纪50年代发展起来的一种体积小、重量轻、易于实现圆极化、可与飞行物等载体共形、易于加工制造等优点的新型式天线。微带天线阵由于具有微带天线的诸多优点,越来越多地被应用到卫星导航领域。现在,全球有多个导航定位系统,如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略以及我国自主研发的“北斗”系统,各种导航定位设备之间的兼容性成为突出的问题。接收机的兼容首先就要求天线部分的兼容,解决方案主要有两种,一是宽频带天线,二是多频带天线。就宽频带设计而言,各国导航系统的工作频率不一致,有的甚至相差很远,考虑到若采用微带天线来实现,由于微带天线自身阻抗带宽和轴比带宽较窄,不太可行。相比之下,多频带微带天线设计也就受到了人们的青睐。在文献[1]中,Shun-Lai Ma和Jeen-Sheen Row采用层叠结构实现的GPS、WLAN单馈双频贴片天线,该天线上层贴片为矩形,下层贴片为切角的方环。X.L.Bao和M.J.Ammann设计了圆心共点圆极化的单层圆环形双频贴片天线[2],以及具有宽波束的双频双圆极化带孔圆形贴片天线[3],波束宽度达到180°。M.Elsdon等人采用具有嵌入式微带线馈电实现的双频圆极化贴片天线[4],能实现L频段1.03～1.2的频率比。Shang-Cheng Pan和Wen-Hsiu Hsu提出由同一平面上两贴片实现的双频贴片天线[5],天线馈电由同轴探针转微带线,然后微带线两端分别嵌入到贴片来实现。针对上述文献中提及的设计双频微带天线的不同方法,根据GNSS系统和我国自主的卫星定位系统的工作频段以及需求,结合矩形贴片上表面电流分布原理,中心单元采用顶层贴片馈电探针穿过底层贴片的中心位置的方法,本文设计并仿真了一个五-五单元双频圆极化微带天线。天线实现双频圆极化的同时合理有效利用整个空间,适合应用于小型多功能接收机中。

2 天线设计

微带天线应用于导航接收机时,为了实现天线方向图在水平面空间全向均匀覆盖,天线单元呈圆形分布。图1为天线单元分布,天线整体尺寸为190 mm×190 mm×7.5 mm。天线设计为可同时实现双频工作,在同一个接地板上均匀分布两个5-5单元,为了便于布局,中间重叠放置不同频段的两个单元,都呈现为圆形分布。其中,排列在基板四角的单元工作于较低频段,即BD(B3)(“北斗”系统B3频段)频段;较小的单元工作于GNSS(全球导航卫星系统)频段。

图1 天线阵结构图Fig.1 Structure of the array

微带阵列天线介质采用同一种基板和厚度,这便于加工和安装。基板用Rogers材料,相对介电常数为6.15。线阵面共由10个单元组成,其中GNSS单元5个,BD单元5个。天线单元尺寸由下式给出:

式中,c为光在真空中的传播速度;L为微带矩形贴片的实际长度;Δl是由边缘效应引起的电纳可用BD单元边长为45.8 mm,GNSS单元边长为36 mm中延伸长度;εr为基板相对介电常数。经过软件优化,中间两个单元重叠放置在一起,GNSS单元位于顶层,BD单元置于底层,而馈电仍然是分开实现。中间GNSS单元的馈电是由穿过底层基板和BD辐射阵元的同轴探针实现,如图2所示。

图2 中间重叠单元馈电结构图Fig.2 Fed structure of the center element

为了对BD单元工作不造成干扰,过孔尽量置于BD单元中间(由微带贴片阵元上表面电流分布知:贴片中心处电流基本为零,如图3所示)。各天线单元分别通过切角来实现导航通信天线圆极化的需求,四周贴片单元相对于中心单元依次旋转90°。GNSS单元间距为0.37λ,BD单元间距为0.38λ,为了控制单元间互耦,单元间距一般取为0.5λ左右。

图3 天线表面电流分布Fig.3 Current distribution of the antenna surface

3 仿真分析

图4为天线各单元VSWR。图4结果表明,各单元VSWR满足BD(1 268±10 MHz)和GNSS(1 590±20MHz)频段的卫星导航通信所需频率带宽,频带内各单元VSWR均呈现出双谐振特性,这也是单馈实现圆极化的驻波曲线特征。BD频段带宽从1 255～1 280MHz均满足驻波比小于2。GNSS频段驻波比小于2的带宽达到了50MHz。GNSS频段处阻抗带宽较宽。

图4 天线单元VSWRFig.4 VSWR of the element

图5为天线单元轴比。图5表明,BD单元天线由于间距较紧密,天线间存在较强互耦,耦合影响天线轴比。BD单元法向AR约为5 dB,GNSS单元AR约为0 dB。图6(a)为BD单元增益,其右旋圆极化增益为4.12 dB,由于单元间存在互耦的影响,其交叉极化并不是很理想,这也在一定程度上影响了天线单元增益。图6(b)为GNSS单元增益,增益达到5.45 dB,其互耦相对BD单元要小一些,交叉极化也较低。图7为天线单元间互耦曲线,其中(a)为BD单元间互耦,均为-15 dB左右,有些单元之间的互耦差一些,约为-12 dB。图7(b)为GNSS单元间互耦,最差为-15 dB左右。图7(c)为BD中心单元与GNSS单元的隔离度,数值在-22 dB以下,可知该天线双频工作时单元间互耦较小,能够实现有效的隔离。

图5 天线单元轴比Fig.5 AR of the element

图6 天线单元增益Fig.6Gain of the element

图7 天线单元间互耦Fig.7 Mutual coupling between antenna elements

4 结 论

针对微带天线在卫星导航接收系统中的应用,设计了一个涵盖BD(B3)频段和GNSS频段的五-五单元双频天线。根据矩形贴片表面电流分布原理,天线中心层叠单元顶层贴片馈电探针从底层贴片中央穿过,减小了两天线单元间的相互影响。天线整体尺寸为190 mm×190 mm×7.5 mm。BD(B3)和GNSS频段VSWR小于2的阻抗带宽分别为35 MHz和50 MHz,同时也给出了天线单元轴比和增益。BD(B3)单元间隔离度最小为12 dB,GNSS单元间最小为15 dB。该天线结构紧凑,可应用于小型多功能卫星导航接收机。然而,天线单元间隔离度对于工程应用并不理想,减小单元间互耦的方法主要有电磁带隙(EBG)结构、缺地陷(DGS)等结构,将在后续工作中进行相关方面的研究。

[1]Ma S L,Row J L.Designof Single-Feed Dual-Frequency Patch Antenna for GPS and WLAN Applications[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2011,52(9):3433-3436.

[2]Bao X L,AmmannM J.Dual-Frequency Circularly Polarized Patch Antenna with Compact Size and Small Frequency Ratio[J].IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2007,55(7):2104-2107.

[3]Bao X L,Ammann M J.Dual-frequency dual circularlypolarisedpatch antenna withwide beamwidth[J].IEEE Electronics Letters,2008,44(21):1233-1234.

[4]Elsdon M,Sambell A,Gao S C.Inset Microstrip-line Fed Dual Frequency Microstrip Patch Antenna[C]//Proceedings of 2003 International Conference on Antennas and Propagation.Exeter,UK:IEEE,2003:28-30.

[5]Pan S C,Hsu W H.Single-feed Dual-frequency MIicrostrip Antenna withTwo Patches[C]//Proceedingsof Antennas and Propagation Society International Symposium.Orlando,FL:IEEE,1999:1644-1647.

WANG Hui-long was born in Kunming,Yunnan Province,in 1986.He received the B.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2009.He is now a graduate student.His research concerns antenna theory and design,microstrip antenna.

Email:whlooj@163.com

徐澜飞(1976—),男,四川邻水人,2000年于哈尔滨工程大学获学士学位,现为西南电子技术研究所射频工程师,主要从事微波技术和阵列天线技术的研究;

XU Lan-fei was born in Linshui,Sichuan Province,in 1976.He received the B.S.degree from Harbin Engineering University in 2000.He is now an engineer.His research concerns microwave technology and array technology.

Email:xulanfei@sohu.com

刘运林(1965—),男,四川人,1997年于西南交通大学获博士学位,现为教授、博士生导师,主要研究方向为天线理论与设计、计算电磁学。

LIU Yun-linwas born in Sichuan Province,in 1965.He received the Ph.D.degree fromSouthwest Jiaotong University in1997.He isnow a professor and also the Ph.D.supervisor.Hisresearch concerns antenna theory and design,computational electromagnetics.

Email:yunlinliu@home.swjtu.edu.cn

Design of Compact Five-five Elements Array

WANG Hui-long1,XU Lan-fei2,LIU Yun-lin1
(1.Institute of Electromagnetics,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China;2.Southwest Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

A five-five elements microstrip patch antenna is proposed in this paper.The centrally-stacked antenna elements are implemented by independent feeding,which is based on the surface current distribution of rectangular patch.The VSWR,AR andGain of the antenna are analysed,isolation between the antenna elements and isolation between the two frequency bands are discussed.BD(B3)(Beidou system B3 band)and GNSS(Global Navigation Satellite System)bands are achieved simultaneously.By composite layout,the antenna is small in size and can be used in multifunctional receivers.

navigation receiver;microstrip patch antenna;dual-patch;circular polarization;small receiver

TN823

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.024

1001-893X(2012)06-0952-04

2011-11-14;

2012-04-06

王汇龙(1986—),男,云南昆明人,2009年于西南交通大学获电子信息科学与技术专业学士学位,现为硕士研究生,主要研究方向为天线理论与设计、微带天线;