北斗多频小型化导航终端天线设计与实现.pdf

2023年第45卷第4期第2 6 页文章编号：10 0 5-7 2 7 7(2 0 2 3)0 4-0 0 2 6-0 4电气传动自动化ELECTRICDRIVE AUTOMATION北斗多频小型化导航终端天线设计与实现Vol.45,No.42023,45(4):2629杨晓杰（福州福大信捷天线技术有限公司，福建福州350 10 8）摘要：卫星导航定位对于国家安全、经济和社会发展具有重要意义，具备多导航系统的导航终端竞争力更强。天线在导航终端中起到决定性作用，为满足多系统兼容性的基本需求，必须要保证能够同时实现多频特性和两种圆极化特性。本文设计了一款北斗多频段的小型化导航终端天线，采用堆叠结构实现多频段覆盖，通过配置中心对称的金属过孔来提高端口隔离度，在天线底层介质四周配置金属贴片来提高低仰角增益，并利用高介电常数的介质基板实现小型化。经过测试验证，本文所设计的终端天线满足设计要求。关键词：多频；小型化；终端天线中图分类号：TN82;TP273BeiDou Multi-Frequency Miniaturized Navigation Terminal Antenna(Fuzhou Fuda Xinjie Antenna Technologies Co.,Ltd,Fuzhou 350108,Fujian,China)Abstract:The role of satellite navigation and positioning in national security,economic and social development isbecoming more and more significant,and navigation terminals that are compatible with multiple navigation systemsare more competitive.As an important component of the navigation terminal,the antenna needs to realize multi-frequency characteristics and two circular polarization characteristics at the same time in order to meet multi-system compatibility.In this paper,we design a multi-band miniaturized navigation terminal antenna for BeiDou,adopting a stacked structure to achieve multi-band coverage,setting a central symmetric metal perforation toimprove port isolation,seting a metal patch around the antenna bottom dielectric to improve low elevation gain,and using a dielectric substrate with high dielectric constant to achieve miniaturization.After testing andverification,the terminal antenna designed in this paper meets the design requirements.Key words:Multi-Frequency;Miniaturization;Terminal Antenna文献标志码：ADesign and ImplementationYANG Xiaojie北斗导航系统功能强大，能实现基于短报文通信的有源定位,以及无源定位功能1,2 。北斗导航终端为了能够更加精确稳定的定位以及实现短信通信服务，将北斗一代和北斗二代的系统进行兼容是必然的趋势3.4。由于北斗二代B3频段的中心频点较低，导致目前相同条件下的天线尺寸很大，不利于北斗导航手持终端的小型化设计5.6 。本文设计了一款定制化的北斗一代/北斗二代B3多频小型化导航终端天线,满足北斗导航终端天线的小型化要求7 。1微带天线辐射机理微带天线能够将特定形状的导体贴片配置在具有导体接地板功能的介质基板上，同时兼容同轴馈电、共面波导馈电、电磁耦合馈电等方式。基于上述方式馈电，在贴片和接地板之间引发激励磁场,从缝隙将磁场发射出去8 。微带天线的本质是传输线，假设微带线线长为L、线宽为W，其终端处（y=L)呈现开路，取L=入/2（入为微带线上的波长）,则另一端(y=0)也呈现开路状态，该电场可近端口2Zo2023年第4期似表达为：Ez=Eocos-L2导航终端天线设计方案由于该天线外形尺寸受项目要求的限制，天线的尺寸较小，通过微带天线小型化技术的分析可知，天线的尺寸减小会导致天线的带宽减小、增益下降等；并且北斗二代B3频段要求的工作带宽大，而B3频段的中心频点比较低，在保证天线增益和带宽要求下增加了天线小型化的难度；天线尺寸减小则各频段天线的馈电探针距离也将越接近，各馈电探针与辐射贴片之间会产生强烈的耦合反应，这会增加微带天线馈电端口的干扰、隔离度下降。综合考虑以上问题,结合天线结构和设计经验，采用叠层结构实现多频段覆盖，采用双馈的馈电方式和添加对称金属过孔的方案，并且合理利用提高低仰角增益的方法，具体方案分析如下：(1)采用堆叠结构来实现三个频段覆盖，根据频率分布情况，三层天线至上而下依次设计为S频段天线、L频段天线和B3频段天线，并且采用高介电常数的高频板材来实现天线的小型化设计。(2)由于微带天线的相对带宽较窄，而B3频段的相对带宽很宽，而且小型化条件下L频段的带宽要求也变得更苛刻,此时若采用单点馈电方案,B3频段和L频段带宽都难以达到指标要求。因此，B3频段和L频段天线均使用双馈的馈电方式，通过设计具有9 0 相位差的威尔金森功分馈电网络，不仅能使B3频段和L频段天线获得较好的圆极化特性,还能增加其阻抗带宽。(3)由于天线叠层结构的设计，天线的发射频段L频段位于中间层，与上下层的接收频段之间存在耦合效应，收发天线馈电端口的隔离度需要着重考虑。结合第四章中天线金属过孔方案分析，通过在下层介质基板中设置中心对称的四个金属过孔，在中间层介质基板的正中心设置一个金属过孔，并将上层天线的馈电探针移至贴片正中心等方法来杨晓杰北斗多频小型化导航终端天线设计与实现改善馈电端口间的隔离度。TY(1)27（4由于下层天线接地板尺寸相对较小，导致天线后瓣增益较大，通过在下层介质基板四周设置一定高度的金属贴片来抑制后瓣增益，从而增加天线的低仰角增益。3导航终端天线设计3.1馈电网络设计本文所设计的B3频段和L频段的天线均采用双馈的馈电方式来实现天线的圆极化辐射，馈电网络设计的好坏会直接影响天线圆极化性能和阻抗匹配效果。本文采用等功率分配的威尔金森功分器来设计馈电网络，功分器的基本结构如图1所示。端口1为输人端，端口2 和端口3为输出端。将端口1匹配为50 2，天线馈电探针匹配到50 Q阻抗匹配的位置，则连接馈电探针的端口2 和端口3也应匹配到50 Q2，根据威尔金森功分器基本原理介绍可以计算出,Z0=50Q,R0=2Z0=100Q,Z1=70.7Q。在传输线无损耗的理想环境下，信号经过功率分配器等功率分配后，每个输出端口的输出功率均比输人功率降低3dB。通过在端口2 或端口3设置四分之一波长的延迟线，使端口2 和端口3之间形成正交的相位差，使天线实现圆极化辐射。Z1Zo端口1图1威尔金森功分器基本结构项目要求馈电网络须布置于底板的八边形内，且天线输出端口位置已被固定，根据上述分析，分别设计了带有9 0 相位差的B3频段和L频段的威尔金森功分器，底板采用介电常数为4.4，厚度为0.72mm的FR4介质基板,其结构如图2 所示。RoZZo端口328电气传动自动化2023年第4期B3频段功分馈电网络输人端口隔离电阻图2 功分馈电网络示意图该功分馈电网络利用计算机辅助软件进行辅助计算和设计，初步确定50 Q和7 0.7 Q微带线线宽分别为1.38 mm和0.7 2 mm，B3频段中心频点和L频段中心频点的微带线线长分别为32.2 5mm和2 5.2 8 mm。3.2导航天线结构设计图3给出了北斗一代收发/北斗二代B3频段兼容的多频小型化导航天线的结构示意图。天线采用堆叠结构实现多频覆盖，至上而下依次为S频段天线、L频段天线、B3频段天线和馈电网络层，三层天线材料均采用RogersTMM10基板，介电常数sr=9.2,损耗角正切tan8=0.0022。(1)S频段天线用于接收北斗一代信号，采用单点馈电方式，馈电于贴片中心的U型槽微带线上，通过切角实现右旋圆极化。介质基板边长为S1,厚度为h1,方形贴片边长为L1,切角的直角边长为c,U型槽的外边长为a,U型槽内的微带线线宽为b,线长为d。(2)L频段天线用于发射北斗一代信号，采用威尔金森功分器进行双馈实现左旋圆极化。介质基板边长为S2,厚度为h2，方形贴片边长为L2，馈电点到天线中心的距离为d2。介质基板中间设有金属过孔，S频段天线馈电探针刚好穿过金属过孔圆心。(3)B3频段天线用于接收北斗二代信号，采用威尔金森功分器进行双馈实现右旋圆极化，以贴片中心为对称中心设置有四个金属过孔，L频段的两个馈电探针刚好穿过其中相邻的两个金属过输出端口输人端口L频段功分馈电网络孔。介质基板边长为S3，厚度为h3，方形贴片边长为L3，馈电点到天线中心的距离为d3，介质基板四周接地贴片的高度为h5。（4)馈电网络层介质基板尺寸为E1E2，馈电网络层上设置有L频段和B3频段的功分馈电网络和S频段的微带转接线，S频段、L频段和B3频段的接头的坐标位置分别为（xl，-y 1）、（-x 2，-y 2)和（x 3，-y 3），馈电网络通过馈电探针对天线进行馈电。此外，天线馈电探针直径为0.9 mm，天线金属化过孔半径为1.4mm,接头规格采用SMP-J。一S频段天线L频段天线一B3频段天线一四周矩形贴片一接地板馈电网络图3天线结构示意图4馈电网络仿真分析该功分馈电网络利用ADS软件进行辅助计算和设计，初步确定50 Q和7 0.7 Q微带线线宽分别为1.38mm和0.7 2 mm，B3频段中心频点和L频段中心频点的微带线线长分别为32.2 5mm和2 5.2 8 mm。通过电磁仿真软件对微带线宽、线长等参数进行仿真优化，B3频段和L频段功分器的优化仿真结果分别如图4和图5所示。2023年第4期杨晓杰北斗多频小型化导航终端天线设计与实现29.0-10-20-30-40-1.249493929190898887861.2401020-30-401.571.581.591.601.611.62.1.631.641.651.6694-93-92918887861.57 1.581.591.60 1.61 1.621.631.641.651.66图5L频段功分器仿真结果从图4可以看出，在1.2 4GHz1.30GHz频段内，B3频段功分器各端口反射系数（S11、S2 2、S33)和S11S12S13S22S23S331.251.26Frequency(GHz)B3频段相位偏移曲线1.251.261.27Frequency(CHz)图4B3频段功分器仿真结果Frequency(GHz)一L频段相位偏移曲线Frequency(GHz)输出端口的隔离度（S23)均小于-2 4dB，传输系数(S12、S13)都接近-3dB,实现等功率分配，其中S13（接近-3.3dB)比S12(接近-3.1dB)略小是由于端口3的输出延迟线比端口2 长从而导致损耗较大造成的。在1.2 4GHz1.30GHz频段内，馈电网络两输出端口的相位差保持在9 0