摘  要： 設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的多頻段圓極化微帶天線。天線采用復(fù)合左右手傳輸線移相器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，展寬阻抗帶寬并且實(shí)現(xiàn)了良好的右旋圓極化輻射。該天線工作在導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GPS、BDS-2和GLONASS工作波段。采用Ansoft HFSS 13.0軟件仿真，仿真結(jié)果表明該天線能夠滿足導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的要求。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、體積小、易于加工等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 多頻段；圓極化；微帶天線；功分器

0 引言

　　現(xiàn)在，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）已廣泛應(yīng)用在民用和軍用領(lǐng)域。目前，GNSS包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國(guó)的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已經(jīng)覆蓋全球。北斗一代可以同時(shí)提供導(dǎo)航和通信服務(wù)，并且在中國(guó)已成功應(yīng)用；2012年，北斗二代向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)。隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，可以接收多個(gè)頻率信號(hào)的衛(wèi)星接收天線得到了廣泛的關(guān)注。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)要求導(dǎo)航終端天線具有良好的右旋圓極化特性[1]。為了滿足多模和多波段導(dǎo)航技術(shù)要求，需要設(shè)計(jì)一個(gè)多波段、圓極化天線。

　　微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低、容易生產(chǎn)等特點(diǎn)，但是主要的缺點(diǎn)就是頻帶窄。因此，如何實(shí)現(xiàn)寬頻帶圓極化天線是最近幾年研究的熱點(diǎn)[2-5]。然而大多數(shù)天線只能覆蓋單頻[2]或者單模[4-5]。參考文獻(xiàn)[3]中提出的天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3以及BDS-1頻帶，與本文天線相比，該天線尺寸大、厚度厚，而且饋電網(wǎng)也復(fù)雜，需要使用4個(gè)威爾金森功率分配器，除此之外，它也不能覆蓋GPS L2和L5、BDS B2頻帶。

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)堆疊、分形、開槽的貼片天線，能夠覆蓋GPS、GLONASS和BDS-2的頻帶。天線背面是一個(gè)復(fù)合左右手傳輸線90°移相器[6]，可以實(shí)現(xiàn)更好的右旋圓極化。

1 天線的設(shè)計(jì)

　　1.1 堆疊貼片設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的GNSS天線工作頻率范圍為1 164 MHz~1 230 MHz和1 559 MHz~1 610 MHz，其為右旋圓極化輻射；50 ?贅饋電匹配。由于GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1相距較近，可將它們視為一個(gè)頻段，即高頻段（1 559 MHz~ 1 610 MHz），由頂層天線得到該頻段；而GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3相距比較近，將它們視為另一個(gè)頻段，即低頻段（1 164 MHz-1 239 MHz），由底層天線得到該頻段。

　　天線的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。頂層是分形的方形貼片和一個(gè)寄生分形方環(huán)形貼片，底層是一個(gè)分形的方形貼片，可以實(shí)現(xiàn)多頻段，而且可以減小天線體積。每個(gè)貼片都設(shè)計(jì)成分形的方形結(jié)構(gòu)，這樣天線制造出來(lái)后便于調(diào)節(jié)阻抗匹配。上下兩個(gè)天線之間沒有空氣間隙，制造起來(lái)方便。頂層天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1頻段（1 559 MHz~1 610 MHz），底層天線覆蓋GPS L2 L5、GLONASS L2、BDS-2 B2 B3頻段（1 164 MHz~     1 239 MHz）。上下兩層的貼片都印刷在相對(duì)介電常數(shù)εr為9.6、厚度為4 mm的微波復(fù)合介質(zhì)板上。利用商業(yè)電磁仿真軟件Ansoft HFSS 13.0設(shè)計(jì)和優(yōu)化天線。天線尺寸如下：L×L=55×55（mm2），L1×L1=35.5×35.5（mm2），L2×L2=30.2×30.2（mm2），L3×L3=37×37（mm2），L0=4.5 mm，頂層的輻射貼片和寄生貼片間隔2 mm。

　　1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　天線背面是一個(gè)復(fù)合左右手傳輸線（Composite Right/left-Handed Transmission Line，CRLH）90°移相器[7]，它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由兩部分組成：一個(gè)Wilkinson功率分配器和兩段相移電路（一段是復(fù)合左右手傳輸線，一段是傳統(tǒng)的右手傳輸線）。Wilkinson功率分配器將輸入功率等分到兩個(gè)輸出端口，同時(shí)保持兩個(gè)端口良好的隔離度，CRLH和傳統(tǒng)的右手傳輸線提供寬帶移相。Wilkinson功率分配器中心頻率為1.385 GHz。左手部分由兩個(gè)T型集總元件網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成，其中L=15 nH，C=6 pF。饋電網(wǎng)絡(luò)的介質(zhì)板采用厚度為1 mm、尺寸與天線介質(zhì)板相同、相對(duì)介電常數(shù)為2.65的聚四氟乙烯玻璃布板。

2 天線的仿真分析

　　天線反射系數(shù)S11如圖3所示。低頻反射系數(shù)S11（S11≤-10 dB）帶寬為170 MHz，即從1.12 GHz~1.29 GHz，可以覆蓋GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3頻段；高頻反射系數(shù)S11（S11≤-10 dB）帶寬為210 MHz，即從1.49 GHz~1.7 GHz，可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1頻段。

　　圖4是多頻天線在1.17 GHz、1.20 GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的軸比，它們?cè)趐hi=0、Theta=0時(shí)，AR≤3.0 dB。圖5分別是多頻天線在1.17GHz、1.20GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的圓極化方向圖。

3 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)堆疊的多頻段圓極化微帶天線，用來(lái)接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)。天線上下層貼片采用分形結(jié)構(gòu)可以減小天線尺寸，上層貼片的寄生貼片可以增加高頻段的阻抗帶寬，天線最下面用的是復(fù)合左右手傳輸線90°寬帶移相，可以獲得良好的阻抗帶寬和圓極化帶寬。

參考文獻(xiàn)

　　[1] Tu Zhihong， Chu Qingxin. Compact circular polarized antenna for GPS and CNSS applications[C]. Microwave Conference Proceedings（APMC）， 2010 Asia-Pacific， 2010：622-625.

　　[2] CHEN W S， WU C K， WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna[C]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2001，49（3）：340-342.

　　[3] Li Jianxing， Shi Hongyu， Li Hang， et al. Quad-band probe-fed stacked annular patch antenna for GNSS applications[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters， IEEE， 2014，13：372-375.

　　[4] DOUST E G， Clénet M， HEMMATI V， et al. An aperture-coupled circularly polarized stacked microstrip antenna for GPS frequency bands L1， L2， and L5[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium， AP-S 2008，IEEE， 2008：1-4.

　　[5] LEE Y J， GANGULY S， MITTRA R. Multi-band L5-capable GPS antenna with reduced backlobes[C]. Antennas and Propagation Society International Symposim， 2005 IEEE， 2005，1A：438-441.

　　[6] TSENG C H， CHANG C L. A broadband ouadrature power splitter using metamaterial transmission line[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE，2008，18（1）：25-27.