一種GNSS雙頻圓極化天線的設(shè)計

2 天線模型的設(shè)計及優(yōu)化
基于腔膜理論結(jié)合表面開槽法(曲流技術(shù))和短路銷釘加載技術(shù)，本文設(shè)計并優(yōu)化了一種新型的小型化層疊結(jié)構(gòu)的微帶天線，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由上、下兩層貼片，短路探針及同軸線組成，采用雙層貼片，上、下兩層選用相同介電常數(shù)的聚四氟乙烯材料(相對介電常數(shù)εr1= εr2=4．4，損耗角正切值為tanδ=0．001)，基片厚度為4 mm。同軸線通過下層貼片的鉆孔連接到上層貼片，下層貼片是上層貼片的寄生單元，通過探針直接饋電。通過調(diào)節(jié)上、下兩層貼片的尺寸實(shí)現(xiàn)L1(1．575 GHz)和L2(1．227 GHz)兩個諧振頻率。基于波瓣寬度、效率及帶寬性能的考慮選用正方形微帶貼片作為輻射單元，并在貼片邊緣對稱地開四個矩形槽，既保證了這種單元結(jié)構(gòu)的對稱性，同時可實(shí)現(xiàn)良好的正交極化輻射特性；又可通過調(diào)節(jié)所開矩形槽的尺寸，在反射損耗基本不變的情況下極大地改善了天線的軸比帶寬，使其軸比帶寬在一定程度上得到了擴(kuò)展；同時由于在貼片上開槽使貼片的表面電流路徑增長，降低了其諧振頻率，從而減小了貼片的尺寸，使其滿足了實(shí)際應(yīng)用中要求的指標(biāo)。

采用電磁仿真軟件CST，應(yīng)用時域有限差分法對所設(shè)計的天線進(jìn)行模擬仿真，通過仿真分析及優(yōu)化，下層貼片尺寸L2×L2=51．6 mm× 51．6 mm，縫隙的尺寸Ls2×Lw2=10．2 mm×5 mm，上層貼片尺寸L1×L1=39．5 mm×39．5 mm，縫隙的尺寸Ls1×Lw1=7．8 mm×5 mm。基于天線的對稱結(jié)構(gòu)采用8個同軸饋點(diǎn)對天線進(jìn)行饋電，上下兩層貼片均采用4個饋點(diǎn)錯位倒向饋電技術(shù)，使天線的相位中心和圓極化性能保持穩(wěn)定。
根據(jù)前面的設(shè)計所的得到的仿真結(jié)果如圖3～圖5所示。天線在1．521～1．629 GHz和1．153～1．313 GHz頻段上，反射損耗S11-10dB，且在中心工作頻點(diǎn)1．575 GHz和1．227 GHz上反射損耗S11分別為-18．1 dB和-20．9 dB(如圖3所示)。圖4為1．575 GHz和1．227 GHz頻段上天線的極化軸比仿真結(jié)果，由此可見，在1．575 GHz，天線在-59°～59°范圍內(nèi)其極化軸比小于3 dB；在1．227 GHz，天線在-65°～+65°范圍內(nèi)其極化軸比小于3 dB。圖5給出了1．575 GHz和1．227 GHz頻段上圓極化天線的方向圖仿真結(jié)果，該仿真結(jié)果說明，當(dāng)頻率為1．575 GHz時，天線在ψ=0°方向的增益為6．1 dB，半功率寬度為104．5°；當(dāng)頻率為1．227 GHz時，天線在ψ=O°方向的增益為8．4 dB，半功率寬度為90．9°，以上性能均滿足實(shí)際工程中的要求。

3 結(jié)語
應(yīng)用腔膜理論和時域有限差分法分析并設(shè)計了雙層結(jié)構(gòu)微帶層疊結(jié)構(gòu)。該層疊結(jié)構(gòu)微帶天線的設(shè)計結(jié)合了曲流技術(shù)和加載短路銷釘技術(shù)，使用CST電磁仿真軟件仿真。仿真結(jié)果表明，該天線的增益、阻抗帶寬等均優(yōu)于同結(jié)構(gòu)的矩形貼片微帶天線，完全滿足GNSS天線的性能要求，天線還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、易于加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，有望在無線通信領(lǐng)域中得到重要的應(yīng)用。