一种小型化多频接收天线的研制

Effect Design and realization of a compact receiving antenna

with multi-band and circular polarization

张艳君，赵 波，王 辉，齐 健

ZHANG Yan-jun, ZHAO Bo, WANG Hui, QI Jian

（中国空空导弹研究院，洛阳 471009）

摘 要：设计、分析和制作了一种小型化多频段圆极化微带天线，天线能够同时工作在北斗系统B1频

段、S频段以及GPS L1频段。通过采用叠层、介质加载、蚀刻不连续缝隙和耦合馈电等方法，实现了天线的小型化设计制作，保证了天线结构的简单紧凑。测试结果表明，该天线具有较高的增益和良好的电性能，并且天线尺寸仅0.28λ×0.28λ×0.02λ（λ为L1频率处对应的波长），从而证实了该方法的正确性和实用性。本文所设计的小型化多频圆极化接收天线由于具有剖面低、结构简单紧凑、易于集成安装等优点, 在航空、航天领域中具有很好的应用前景。

关键词：小型化；多频；圆极化；微带天线

中图分类号：TN822 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2020)03-0094-04

0 引言

全球卫星导航系统是通过接收卫星信号向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，在经济、军事以及交通等多个领域得到广泛应用。除了美国GPS卫星导航系统，我国自主开发的北斗2卫星导航系统在航空制导武器中已逐步应用，其在满足高动态、高精度需求的同时，还具备较强的战场适应能力和电子对抗能力。由于不同导航系统在空间的卫星分布有限，不能覆盖地球上所有区域，所以其定位导航精度和安全可靠性以及可用性也受到了制约，因此为了提高定位精度和解决单一系统覆盖盲区的问题，将会采用多种卫星导航相兼容的模式，随着多模卫星组合导航技术的发展，可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了广泛重视，因此在某种意义上多频卫星定位天线的性能在卫星定位导航系统中起非常重要的作用。

微带天线具有体积小、成本低、重量轻、容易成型、便于获得圆极化等优点，在卫星导航领域获得了广泛的应用[1,2]。文献[3]设计了一种陶瓷基底的右旋圆极化微带天线，能够满足高温环境下卫星导航系统的应用，但天线具有单一频点，频带较窄和体积过大的缺点；文献[4]提出了一种应用于北斗B3频段的高增益宽轴比波束圆极化卫星导航天线，通过采用双点馈电和引入圆形金属套筒实现了宽轴比和高增益特性，但仍然存在天线笨重，体积过大，不易共形的缺点；文献[5]通过采用双层层叠结构设计、上层贴片切角开缝、下层贴

片加入非对称十字和直角折线槽等方法，设计了一款新型的小型化多频段圆极化北斗天线。该天线体积小巧，性能满足北斗系统对天线性能的要求，但还存在一些问题，如文献中的天线尺寸并未包含微带天线接地板尺寸和实际的安装尺寸，并且天线性能仅通过仿真结果验证，并未进行实物分析验证等。

本文研制了一种工作在北斗B1、S以及GPS L1频段的小型化圆极化微带天线。天线采用上下两层直接堆叠压合方式[6]，两层天线共用一个馈电点，其中下层贴片通过耦合方式馈电，馈电结构简单可靠。通过采用介质加载和贴片表面蚀刻对称但不连续缝隙等方法，实现了天线的小型化设计制作，天线结构简单紧凑，易于共形安装，电性能良好，天线样机实用性较强。

1 天线设计

图1所示为小型化多频接收天线结构示意图。天线采用双层层叠结构，两层贴片之间填充高度分别为h1和h2、相对介电常数分别为ε1和ε2的介质，上下两层介质采用四个螺钉安装固定，其中w为下层贴片单元边长，C为下层贴片切角边长为实现天线的小型化和结构紧凑，下层贴片不仅通过上层介质进行加载之外，下层和上层贴片均采用在贴片表面进行蚀刻对称但不连续缝隙的方法，有效加长了贴片上的电流路径，使天线的有效体积得到大大缩小，同时两层天线共用一个馈电点，进一步简化了天线的结构，保证了天线的结构紧

收稿日期：2018-11-05

作者简介：张艳君（1983 -），女，河南漯河人，工程师，硕士，研究方向为卫星通信天线、圆极化天线技术等。【94】 第42卷 第3期 2020-03

(a) 天线结构侧视图(b) 天线结构俯视图

图1 小型化多频接收天线结构示意图

凑。其中下层贴片工作在北斗B1和GPS L1频段，上层贴片工作在S频段，均用于接收卫星发射的右旋圆极化（RHCP）定位信号。

以下层贴片为例，假设下层贴片的谐振频率为f1，上层贴片的谐振频率为f2，下层贴片边长w，上层贴片边长为w2，它们之间的关系可由下式来确定：

(1)

v f2=2w2εe2

(2)

εe1=ε1

(3)

hh

εe2=h1+21+h2 (4)

ε1ε2式中，v为光在真空中的速度。

2 仿真分析

小型化多频接收天线下层介质采用相对介电常数为4.1的Arlon AD410，厚度为3.175mm；上层介质采用相对介电常数为4.5的Arlon AD450，厚度为1.016mm，天线总厚度为4.191mm。上下两层介质通过半固化片进行压接，并采用四个通孔螺钉进行固定安装，天线简单紧凑。其中天线在L频段全空间最大增益达4dBi，在S频段全空间最大增益达5.4dBi。

图2给出了天线电压驻波比仿真曲线图，由结

果可知，该天线在频段1.56GHz～1.595GHz和频段2.47GHz～2.535GHz范围内驻波小于2，工作频带满足设计指标要求。

2520RW15SV10501.41.61.82.02.22.42.62.8Frequency/GHz图2 驻波仿真曲线

3 天线制作及测试分析

如图3所示为天线的实物照片，其中(a)为天线实物，(b)为天线在微波暗室中的测试状态图。天线制作过程中采用金属敷层表面镀金的方法, 馈电方式选用同轴电缆直接馈电, 馈电接头为SMA型连接器。天线通过四个螺钉固定安装在特定夹具上。该天线简单紧凑，易于安装固定和与载体共形。

(a) 天线实物

(b) 天线测试状态

图3 天线实物照片

第42卷 第3期 2020-03 【95】

用矢量网络分析仪对天线反射系数进行测试，测量及仿真结果对比图如图4所示。从图4中可以看到, 测试电压驻波比曲线与仿真曲线在L频段和S频段趋势基本一致，S频段的测试驻波曲线与仿真吻合较好，但在L频段，测试相对仿真曲线往低频偏移12MHz，这主要是因为天线在加工制作过程中，原定采用相对介电常数接近4.1的粘接膜或半固化片压接上下两层介质，但由于材料缺货，改用相对介电常数较高的现有粘接胶，导致下层贴片的边界条件发生变化，L频段测试曲线向低频 偏移。

25(a) Simulated Measured20RW15SV10501.481.501.521.541.561.581.601.621.1.66Frequency / GHz(a) L频段驻波对比曲线

109(b) Simulated Measured87RW6SV543212.422.442.462.482.502.522.542.562.58Frequency / GHz(b) S频段驻波对比曲线

图4 测量及仿真结果对比示意图

将被测天线安装在特定夹具上，在微波暗室中将

其架装在转台上，分别测量天线的垂直极化和水平极化分量来得出其方向特性, 天线增益为两极化分量对应的部分增益的合成[7,8]。增益特性分别通过在L波段与线极化标准增益BJ18波导比较，在S波段与线极化标准增益BJ26波导而得到。

图5和图6分别为测试的天线在L、S频段上的E面方向图与仿真方向图的比较曲线。从结果图中可以看出, L频段和S频段测试增益方向图与仿真曲线基本一致，

【96】 第42卷 第3期 2020-03

吻合度较高，但增益最大值稍低，L频段最大增益为2.8dBi，S频段最大增益为5.2dBi。

图7所示为被测天线在L、S频段上的轴比方向图与仿真的比较曲线。从结果图中可以看出，L频段和S频段测试轴比方向图与仿真曲线重合度较高，但L频段轴比曲线起伏较大，偏离法线30°方向上轴比较大，达到了6dB，这主要是因为天线加工过程中粘接胶的参数变化导致下层贴片边界条件改变，一定程度上影响了天线在L频段上的电性能。虽然测试结果与仿真有一些偏差，但偏差较小，验证了本文天线设计的正确性。

0533030 Simulated Measured0 -530060iBd-10 / ni90a-15270G -10-52401200 5210180150图5 L频段E面仿真与测试方向图

0533030 Simulated Measured0 -530060i-10Bd -15/ ni-2027090aG -15-10-502401205 210180150图6 S频段E面仿真与测试方向图 Simulated60(a) Measured50Bd /40 oitaR30 laixA20100-200-150-100-50050100150200θ / (°) (a) L频段仿真与测试轴比曲线

6050(b) Simulated Measured工制作的天线样机进行测试分析，天线测试结果与仿真基本一致，吻合较好，说明本文所述的设计方法是正确的, 具有一定的应用价值。本文所设计的小型化多频圆极化接收天线由于具有剖面低、结构简单紧凑、易于集成安装等优点, 有很好的实用价值和应用前景。

Axial Ratio / dB403020100-200-150-100-500θ / (°)50100150200参考文献：

[1] 张钧,刘克诚,张贤峰.微带天线理论与工程[M].北京:国防工业

出版社,1998:112-270.

[2] 钟顺时.微带天线理论与应用[M].西安:西安电子科技大学出版

社,1991:127-220.

[3] 刘胤廷,张书义,石丹等.耐高温卫星导航天线[J].电波科学学

报,2016,31(2):325-330.

[4] 罗鑫帅,翁子彬,杨磊.应用于卫星导航的高增益宽轴比波束圆

(b) S频段仿真与测试轴比曲线

图7 L、S频段上测试结果示意图

4 结语

本文设计了一种工作在北斗B1、S以及GPS L1频段的小型化圆极化微带天线。天线采用上下两层直接堆叠压合方式，两层天线共用同一个馈电点，其中下层贴片通过耦合方式馈电，馈电结构简单可靠，上下两层介质通过半固化片进行压接，并采用四个通孔螺钉进行固定安装。下层贴片通过上层介质进行加载，并且下层和上层贴片均采用在贴片表面进行蚀刻对称但不连续缝隙的方法，有效加长了贴片上的电流路径，实现了天线的小型化设计制作，保证了天线结构的简单紧凑。最后对加

极化天线设计[J].微波学报,2016,0(S1):203-205.

[5] 张辉,王洪金,郭滨等.三频双圆极化北斗天线的设计[J].电子元

件与材料,2016,35(3):67-70.

[6] Nasimuddin,Karu P,and A. K. Verma. Wideband

circularlypolarized stacked microstrip antennas[J]. IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters,2007(6):21-24.[7] 尚军平,傅德民,蒋帅,等.圆极化天线特性参数测量方法[J].西安

电子科技大学学报,2009,36(1):106-110.

[8] Aixin Chen, Yanjun Zhang, and Zhizhang Chen. A ka-band

high-gain circularly polarized microstrip antenna array[J].IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters,2010(9):1115-1118.

【上接第62页】

为（-0.01～0.015）mm之间，C角度坐标最大误差为（-0.00005︒～0.00015︒）之间。

该算法不仅通用性强，还避免了传统算法的局限性及弥补了传统算法中累计误差的不足。

产品与流通,2018,(08).

[6] 聂波.基于机器视觉的工业机器人分拣技术探究[J].信息与电脑

(理论版),2018,(14).

[7] 尹仕斌,任永杰,刘涛,郭思阳,赵进,邾继贵.机器视觉技术在现代

汽车制造中的应用综述[J].光学学报,2018,(08).

[8] 杨静,杨红平,张慧,杨杰.基于视觉的工业机器人应用系统发展

及研究综述[J].甘肃科技纵横,2018,(06).

[9] 黎卫波.热加工过程中基于机器视觉的工件定位技术应用研究

[D].中国科学院大学(中国科学院沈阳计算技术研究所),2018.(05).

[10] 付贵.基于机器视觉的工业机器人标定方法研究[J].南方农

机,2018,(09).

[11] 李颀,强华.工业机器人实验教学平台[J].实验技术与管

理,2018,(04).

[12] 林龙彬.基于机器视觉的工业机器人抓取技术研究[D].福建工

程学院,2018.

参考文献：

[1] 谢邦晋.基于机器视觉的工业机器人定位抓取技术[J].内燃机与

配件,2018,(21).

[2] 雍洋洋,张广才,高新浩,何继荣,温贻芳.基于机器视觉的

机器人装配工作站系统设计与研究[J].机械制造与自动化,2018,47(05).

[3] 温秀兰,张腾飞,芮平,崔俊宇.基于三维机器视觉的工业机器人

定位系统设计[J].组合机床与自动化加工技术,2018,(09).[4] 蔡倩倩,宁祎,王雷.基于机器视觉的机器人分拣技术发展研究

[J].现代制造技术与装备,2018,(08).

[5] 陈扬帆.机器视觉在工业机器人技术方面的应用探究[J].计算机

第42卷 第3期 2020-03 【97】