杨晓杰，袁家德

　　（福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州 350002）

摘要：设计了一种覆盖北斗一代发射L频段、接收S频段、北斗二代B1频段和GPS的L1频段多频圆极化微带天线。天线采用叠层结构来实现多频段的覆盖，各频段采用单点馈电的方式，利用辐射贴片切角实现天线的圆极化特性。天线进行了仿真设计、实物制作、指标测试和功能测试，结果表明，该天线工作带宽、圆极化特性和增益均满足卫星导航终端天线的指标要求，能够应用于北斗/GPS卫星导航终端。

　关键词：北斗；GPS；导航终端；微带天线；圆极化

　0引言

　　全球卫星导航定位系统为全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，在经济、交通运输和军事领域有着不可替代的重要作用［1］。当前，美国的GPS定位系统已被广泛应用，而中国的北斗导航系统在近几年也越来越多地服务于社会，应用普及率正慢慢提高。为了提高定位精度和解决单一系统网络覆盖空白问题，未来的卫星导航定位系统必然采用多种卫星导航定位系统相兼容的模式［23］。

　　天线是卫星导航定位系统中不可或缺的重要组成部分，天线性能的好坏决定着卫星导航定位系统能否正常发挥其作用和功能［4］。微带天线具有体积小、重量轻、容易成型和馈电方式多样化等优点，被广泛应用于卫星导航终端中。但是，微带天线也存在带宽较窄的缺点，为了使天线能够覆盖多个不同的工作频段，采用多层贴片叠层结构来实现多频段的覆盖。叠层结构并不是各层微带天线简单的叠加，各层微带贴片之间会产生电磁干扰作用，从而使天线谐振频率和轴比等参数发生变化［56］。

　　北斗一代导航定位系统具有有源定位和短报文通信的功能，在导航终端中L频段作为天线的发射频段，其天线辐射左旋圆极化波；S频段作为天线的接收频段，其天线辐射右旋圆极化波。北斗二代导航定位系统和GPS导航定位系统都属于无源定位，北斗二代B1频段和GPS的L1频段都是接收频段，其天线辐射右旋圆极化波［79］。

　　本文设计了一种覆盖北斗一代收发频段、北斗二代B1频段和GPS的L1频段的圆极化微带天线，通过有限元电磁仿真软件进行天线的设计仿真和参数优化，并进行了实物制作，测试结果表明，该天线能够很好地应用于导航终端。

1天线设计

　　本文采用厚度为1.6 mm，介电常数为4.4的FR4覆铜介质板来设计每一层的天线。天线结构如图1所示。底层为北斗二代B1频段（中心频点为1.561 GHz）和GPS的L1频段（中心频点为1.575 GHz）的天线单元，介质边长为60 mm，贴片边长为44.9 mm，切角等腰直角三角形的直角边为4.8 mm，馈电点距离中心为12.5 mm；中间层为北斗一代L频段（中心频点为1.615 68 GHz）天线单元，介质边长为42 mm，贴片边长为39.7 mm，切角等腰直角三角形的直角边为3.5 mm，馈电点距离中心11.8 mm，中间有4条宽度为1 mm的缝隙；顶层为北斗一代S频段（中心频点为2.491 75 GHz）的天线单元，介质边长为28 mm，贴片边长为25.8 mm，切角等腰直角三角形的直角边为3 mm，中间圆形开槽半径为5.3 mm，通过长度为5.5 mm的微带线将馈电点移至中心，来增加L频段和S频段天线的隔离度。

　　天线实物如图2所示，3层天线单元分别通过蚀刻FR4双面覆铜板来获得贴片形状，各层天线的馈电点分别连接50 Ω的MCX接头，各层通过焊锡进行焊接。

2仿真与测试结果

　　2.1回波损耗

　　回波损耗是指在天线的接头处的反射功率与入射功率的比值，反映了天线的阻抗匹配特性。图3为天线回波损耗仿真与测试结果对比图，其中实线为仿真曲线，虚线为测试曲线。从图3(a)可以看出，测试S11曲线与仿真结果基本吻合，S11小于-10 dB的带宽为45 MHz(1.554 5 GHz~1.599 5 GHz)，覆盖B1频段的工作带宽1.561 GHz±2 MHz和L1频段的工作带宽1.575 GHz±2 MHz。从图3(b)可以看出，测试S11曲线有一个凸点，但带宽也基本与仿真的一致，S11小于-10 dB的带宽为72 MHz(1.568 5 GHz~1.640 5 GHz)，覆盖L频段的工作带宽1.615 68 GHz±4 MHz。从图3(c)可以看出，测试S11曲线比仿真带宽略小，S11小于-10 dB的带宽为54 MHz(2.464 GHz~2.518 GHz)，覆盖S频段的工作带宽2.491 75 GHz±4 MHz。

2.2轴比

　　北斗和GPS天线都为圆极化天线，圆极化性能可以通过轴比来衡量，一般认为轴比小于3 dB的天线实现了较好的圆极化。图4为天线轴比的仿真曲线图，从图中可以看出B1频段的中心频点1.561 GHz处的轴比为2.61 dB，L1频段的中心频点1.575 GHz处的轴比为4.58 GHz，L频段的中心频点1.615 68 GHz处的轴比为1.39 dB，S频段的中心频点2.491 75 GHz处的轴比为2.14 dB。由于单点馈电方式的微带天线的轴比带宽相对较小，B1/L1频段无法同时兼顾轴比小于3 dB，因此设计的L1中心频点的轴比尽量接近3 dB。而B1频段、L频段、S频段的轴比都满足北斗天线的设计要求。

　2.3增益

　　天线的增益反映了天线的定向收益程度，天线的增益越高则天线的收发成功率也就越高。图5为天线在φ=0°，θ=0°~360°平面上增益方向图，实线为左旋极化增益，虚线为右旋极化增益。从图5(a)可以看出，B1频段中心频点θ=0°方向上的右旋极化增益为1.78 dB，远大于左旋极化增益，B1频段天线辐射右旋圆极化波；从图5(b)可以看出，L1频段中心频点θ=0°方向上的右旋极化增益为1.09 dB，远大于左旋极化增益，L1频段天线辐射右旋圆极化波；从图5(c)可以看出，L频段中心频点θ=0°方向上的左旋极化增益为1.98 dB，远大于右旋极化增益，L频段天线辐射左旋圆极化波；从图5(d)可以看出，S频段中心频点θ=0°方向上的右旋极化增益2.81 dB，远大于左旋极化增益，S频段天线辐射右旋圆极化波。可见，本文设计的天线圆极化增益符合导航天线设计要求。

　2.4功能测试

　　为验证本文设计天线的可行性，对天线进行实际功能测试。天线连接北斗/GPS射频模块进行北斗一代定位测试和通信测试，北斗二代GPS定位测试。图6为测试设备图，图7为测试结果图。北斗一代定位测试成功，通信测　

　　图7天线测试结果图试成功，表明天线能够用于北斗一代定位和通信；北斗二代和GPS搜星数分别为4颗和7颗，定位效果良好，表明天线能够用于北斗二代和GPS定位。

3结论

　　本文提出了一种应用于北斗/GPS导航系统的多频圆极化微带天线，该天线采用叠层结构设计，实现北斗一代收发频段、北斗二代B1频段和GPS的L1频段的覆盖，天线的仿真结果和功能测试结果表明，天线的性能良好，且天线使用较为普遍的FR4介质板易于加工，具有很好的应用前景。

参考文献

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