用于北斗终端系统介质埋藏天线的设计

倪国旗1，2，刘芳1，韩非凡1

（1.桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004；2.空军空降兵学院二系，广西桂林541003）

摘要：传统的微带贴片天线中的辐射贴片振子都采用矩形（方形）、圆形、三角形、Y形等形状，一般使用单馈法加入微扰激励圆极化波，这里描述的立体式介质埋藏微带贴片八木天线中的辐射贴片振子不同于传统的形状，采用了梅花形辐射贴片振子，并在辐射贴片上开矩形槽，用单点馈电激励圆极化波。仿真结果表明在北斗射频信号S（2.491 GHz±10.23 MHz）的中心频率上，该天线的最大增益为8.72 dB；将梅花形贴片改变成花瓣形贴片后的仿真天线增益增大到8.82 dB，轴比带宽和S11 阻抗带宽变宽，为实物天线的制作提供了依据。

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关键词 ：介质埋藏天线；八木天线；圆极化；花瓣形贴片

中图分类号：TN821?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）17?0075?05

0 引言

北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统[1?2]，北斗接收终端的天线一般采用圆极化的极化方式，这是由于圆极化的极化方式相比线极化具有抗干扰能力强等优势。本文以S（2.491 GHz±10.23 MHz）频段为例，借鉴微带天线的圆极化技术，在辐射贴片的表面开槽，利用单馈法分离出两个幅度相等、相位相差90°的简并模，从而实现该天线的圆极化[3?4]。

介质埋藏微带天线是将微带天线的金属贴片完全埋入介质中，金属部分不与空气接触，从而增强天线的隐蔽性[5]。目前对介质埋藏天线的研究主要集中在埋藏形式与结构、如何增加天线的增益和带宽等方面。文献[6]论证介质埋藏天线的可行性，其通过将相同尺寸的微带振子天线、贴片对称振子天线和介质埋藏天线三种天线做了比较。这三种天线除了谐振频率和增益相差较大外，其余的差别不明显，说明介质埋藏贴片振子天线不仅具有与微带振子天线相似的性能，还能缩短天线的长度。文献[7]设计了一种新型的立体式介质埋藏微带八木天线，其与平面式介质埋藏微带八木天线相比，在增益、带宽等方面更优。文献[8]设计了一种新型的能拓宽阻抗带宽的宽带微带天线，其贴片形状为一个270°的圆形，然后在其上切去一个矩形槽，在合适的位置设置馈电点拓宽天线的带宽。此天线的仿真和测量阻抗带宽（驻波比小于2）约为450 MHz，相对带宽约为44.9%，最大增益接近于9 dBi。本文采用立体式介质埋藏微带八木天线结构，借鉴文献[8]的新型贴片思想，结合微带天线圆极化技术，设计了一种新型的梅花形辐射贴片振子式天线，并在其基础上改进贴片形状，从而使天线的仿真增益和带宽达到设计要求。

1 天线结构设计与优化

1.1 天线结构设计

借鉴八木天线的结构形式，采用层叠的方式设计成立体式介质埋藏天线，天线的整体结构如图1（a）所示，天线包含6个介质层（从底层依次往上分别为h1，h2，h3，h4，h5，h6）、1个反射贴片振子、1个辐射贴片振子和3个引向贴片振子。反射贴片振子为正方形，正方形的边长为L1，中间切去一个小圆。辐射贴片振子为梅花形，由中间的正方形外加直径为正方形边长的4个半圆组成，正方形的边长为L2，由于需要辐射出圆极化波，在辐射贴片振子上开出一条矩形槽，其长度为b，宽度为a，馈电点位于辐射贴片的x 轴上，如图1（b）所示。馈电点在辐射贴片振子的x 轴正方向上，馈电同轴线外径与反射贴片相连接。3个引向贴片振子的形状都为圆环，外径为r1，内径为r2，介质板的尺寸为L × L。

1.5 天线馈电设计

由于圆极化电磁波可以入射对称目标，因此将其应用到移动通信和gps领域能够抑制雨雾干扰和抵抗多径反射[11]。所以，我国北斗卫星导航系统内所有卫星发射的信号都是圆极化电磁波。因此，在设计介质埋藏天线的馈电方式时也采用圆极化的极化方式。目前圆极化微带天线主要由谐振式和行波式实现[12]，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，通过引入几何微扰，破坏馈电平衡性，使得简并模分离，产生两个辐射正交极化的简并模[13]，从而实现圆极化。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[14]。

分离单元使馈电场形成两个空间正交简并模的谐振频率发生分离，分离的大小取决于ΔS S 。为实现圆极化，这两个模必须达到幅值相等、相位相差90°。相等幅值可以通过适当选择馈电位置实现。产生90°相移的方法有两种：一种是设置合适的馈电点位置，另一种是设置合适的分离单元尺寸。

本文以一种表面开槽的方法实现圆极化，即在梅花形微带辐射贴片振子上切去一个矩形槽，如图1（b）所示。这一部分的面积为ΔS = a × b，其中b 为矩形槽的长度，a 为矩形槽的宽度。Q 与ΔS S 之间的关系式[15]为：

从上述仿真结果分析可以看出，本文设计的介质埋藏微带天线能够满足北斗接收终端天线的各项性能指标要求。

2.2 花瓣形辐射贴片振子式天线仿真结果分析花瓣形辐射贴片振子式天线仿真结果如图4所示。从图4（a）可以看出，具有花瓣形辐射贴片振子天线的S11 曲线小于-10 dB 的频率范围为2.337~2.75 GHz，相对带宽约为16.58%。从图4（b）可以看出，E 面波束宽度和H面波束宽度均为65°。从图4（c）可以看出，在最大辐射方向上右旋圆增益比左旋圆增益大23.8 dB，所以极化方式为右旋圆极化方式。从图4（d）可以看出，天线在2.373~2.571 GHz频带范围内轴比小于3 dB，轴比带宽为198 MHz。天线单元在2.491 GHz频点上的最大增益为8.82 dB。

以上两种辐射贴片振子式天线的性能比较如表3所示。

通过上述参数的比较，可以看出：花瓣形辐射贴片振子式天线的各项性能略优于梅花形辐射贴片振子式天线。出现此结果的主要原因是：在梅花形贴片振子的相邻半圆之间加入扇形贴片，扇形贴片相当于在其梅花形贴片振子旁边增加了4个寄生贴片，而增加寄生贴片可增加天线的增益，拓宽天线的带宽，因此前者的增益更高，带宽更宽。

2.3 花瓣形辐射贴片振子式天线实物测试结果分析将花瓣形辐射贴片振子式天线制作成实物，如图5所示，并使用矢量网络分析仪测试其S11 参数和驻波比，其测试结果如图6所示。

从图6（a）可以看出，S11 曲线小于-10 dB的频率范围在2.35~2.62 GHz内，相对带宽约为10.8%，比仿真的带宽小。

3 结语

本文根据八木天线理论和天线馈电圆极化技术，设计出梅花形辐射贴片振子式天线的各个贴片尺寸初值，利用HFSS软件进行建模仿真和优化，优化后的天线性能符合北斗接收终端的天线设计要求。为了使天线性能更优，对辐射贴片振子的形状进行了改进设计，通过对这两种天线的性能结果比较表明，经过改进后的天线增益较高，相对带宽较大，轴比带宽较大，更符合设计要求。该天线可以作为一个阵元，为后续需要更大增益的中、大型天线阵设计奠定基础。

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