一种GNSS双频圆极化天线的设计

2天线模型的设计及优化
基于腔膜理论结合表面开槽法(曲流技术)和短路销钉加载技术，本文设计并优化了一种新型的小型化层叠结构的微带天线，其结构如图2所示。它由上、下两层贴片，短路探针及同轴线组成，采用双层贴片，上、下两层选用相同介电常数的聚四氟乙烯材料(相对介电常数εr1= εr2=4．4，损耗角正切值为tanδ=0．001)，基片厚度为4 mm。同轴线通过下层贴片的钻孔连接到上层贴片，下层贴片是上层贴片的寄生单元，通过探针直接馈电。通过调节上、下两层贴片的尺寸实现L1(1．575 GHz)和L2(1．227 GHz)两个谐振频率。基于波瓣宽度、效率及带宽性能的考虑选用正方形微带贴片作为辐射单元，并在贴片边缘对称地开四个矩形槽，既保证了这种单元结构的对称性，同时可实现良好的正交极化辐射特性；又可通过调节所开矩形槽的尺寸，在反射损耗基本不变的情况下极大地改善了天线的轴比带宽，使其轴比带宽在一定程度上得到了扩展；同时由于在贴片上开槽使贴片的表面电流路径增长，降低了其谐振频率，从而减小了贴片的尺寸，使其满足了实际应用中要求的指标。

采用电磁仿真软件CST，应用时域有限差分法对所设计的天线进行模拟仿真，通过仿真分析及优化，下层贴片尺寸L2×L2=51．6 mm× 51．6 mm，缝隙的尺寸Ls2×Lw2=10．2 mm×5 mm，上层贴片尺寸L1×L1=39．5 mm×39．5 mm，缝隙的尺寸Ls1×Lw1=7．8 mm×5 mm。基于天线的对称结构采用8个同轴馈点对天线进行馈电，上下两层贴片均采用4个馈点错位倒向馈电技术，使天线的相位中心和圆极化性能保持稳定。
根据前面的设计所的得到的仿真结果如图3～图5所示。天线在1．521～1．629 GHz和1．153～1．313 GHz频段上，反射损耗S11-10dB，且在中心工作频点1．575 GHz和1．227 GHz上反射损耗S11分别为-18．1 dB和-20．9 dB(如图3所示)。图4为1．575 GHz和1．227 GHz频段上天线的极化轴比仿真结果，由此可见，在1．575 GHz，天线在-59°～59°范围内其极化轴比小于3 dB；在1．227 GHz，天线在-65°～+65°范围内其极化轴比小于3 dB。图5给出了1．575 GHz和1．227 GHz频段上圆极化天线的方向图仿真结果，该仿真结果说明，当频率为1．575 GHz时，天线在ψ=0°方向的增益为6．1 dB，半功率宽度为104．5°；当频率为1．227 GHz时，天线在ψ=O°方向的增益为8．4 dB，半功率宽度为90．9°，以上性能均满足实际工程中的要求。

3 结语
应用腔膜理论和时域有限差分法分析并设计了双层结构微带层叠结构。该层叠结构微带天线的设计结合了曲流技术和加载短路销钉技术，使用CST电磁仿真软件仿真。仿真结果表明，该天线的增益、阻抗带宽等均优于同结构的矩形贴片微带天线，完全满足GNSS天线的性能要求，天线还具有结构简单、体积小、易于加工等诸多优点，有望在无线通信领域中得到重要的应用。