1、四波段探針饋電堆疊環形微帶天線在全球定位系統中的應用李建興，石宏宇，李航，張安學摘要：本論文提出了探針饋電堆疊環狀微帶天線在全球導航衛星系統(GNSS)中的應用。這種天線已經被設計操作應用在包括GPS、GLONASS BDS-1,BDS-2衛星導航頻帶上。在這個設計中，四個環形微帶堆疊在一起實現多波段操作和緊湊性。滿足正交相位的網絡由四個用來確保圓偏振（CP）輻射的90帶狀線平衡變壓器組成。我們的設計的另一個關鍵特性是梯式半徑空支柱用來減少因為過長饋電探針而產生的知名電感。最后一個天線展示了在所有設計波段具有良好的阻抗匹配,廣泛的模式覆蓋,純粹的CP 性能。在下文將給出并討論設計思考的細節和實

2、驗結果。關鍵詞 全球衛星導航系統 堆疊微帶天線 梯式半徑空支柱 帶狀變壓器1引言如今,全球導航衛星系統(GNSS) 被廣泛用于民用和軍事領域。目前,全球衛星導航定位系統包括GPS(美國),格洛納斯 (俄羅斯),伽利略(歐洲),BDS-1 / 2(中國)等。在全球范圍內已經可操作的全球衛星定位系統包括美國的全球定位系統(GPS)和俄羅斯GLONASS 系統。可以同時提供導航和通信服務的中國BDS-1系統(也稱為指南針) 在中國已成功應用。在 2012年,中國宣布BDS-2開始提供亞太地區服務1。在未來,衛星導航接收器將通過使用不同的衛星導航系統提高定位的準確性和可靠性來提供多模操作。因此,多波段

3、GNSS天線 成了GNSS接收器的迫切需求。近期,GNSS天線研究引起了極大的關注, 已報道出了各種類型的GNSS天線,包括微帶天線,四臂螺旋天線等。2-10。然而,大多數已創造出來的GNSS天線只能覆蓋 單一波段2-4或操作在一個單一的模式中5-9。本文提出了10能夠在GPS、GLONASS, BDS-2波段工作的天線。然而，它的尺寸對于一些應用偏大，微帶之間的氣縫也會增加制造的復雜性。此外,該天線尚未覆蓋BDS-1的上行l波段和 下行的s波段。 本篇論文提出了一個全球定位系統在GPS、GLONASS BDS-1,和BDS-2波段應用的新型探針饋電堆疊環形微帶天線。一個由四個90帶狀線平衡變

4、壓器集成的的滿足正交相位的網絡用來確保圓偏振（CP）輻射。一個梯式半徑做空支柱來減少由于過長饋電探針而產生的知名電感。第二部分描述了包括堆疊補丁和饋電網絡的GNSS天線設計,第三部分介紹和討論了實驗結果 ，第四節進行了總結。 2天線設計表1總結了所需GNSS天線的設計目標，包括操作頻率范圍，極化模式，, 側向方向輻射增益 1,11。此外，該天線需要四個饋線匹配到50歐姆。眾所周知,堆疊補丁支持多波段操作4,探針潰饋電堆疊微帶的設計可以在文獻中找到5-7。因為GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1頻率互相接近 ,我們介紹了一種方法來設計一個與GPS L1、GLONASS L1和BD

5、S-2 B1覆蓋相同波段 的微帶 。 因此,我們只需要四個堆疊在一起的微帶去覆蓋所有操作頻率范圍。此外,環微帶可以用來減小尺寸。如9和10所述，較厚的基底意味著帶著較強電感的較長饋電探針會導致較差的阻抗匹配。為了避免這個問題，我們引入梯式半徑做空支柱。上面補丁的饋電是通過同軸饋電探針穿透空支柱而不是通過多層基板。因此, 電感減小,阻抗匹配提高,將會得到更廣泛的阻抗帶寬。李等。應用 于GNSS的四波段探針饋電多層環狀微帶天線 圖1所示。幾何的堆疊微帶天線（a）頂視圖（b頂層微帶片 （c）第二個微帶片（d）第三個片（e）底層微帶片（d）梯式半徑空支柱圖2所示。 提出的滿足正交網絡的布局。 為了激發

6、CP模式，提出了一種由四個90帶狀線平衡變壓器組成的新的相位正交的饋電網絡。相比文獻中相反的地平面補丁的微帶饋電網絡，帶狀線進一步減少了補丁和饋電網絡之間的耦合程度。 A堆疊補丁設計圖1 中提出了所需GNSS天線的堆疊補丁的詳細幾何結構。四個環形補丁 堆疊實現多波段操作和緊湊性。為了在制造后方便調整匹配阻抗，每個補丁都要裝載兩條長寬相同的短截線。為了實現簡單的制造四個補丁互相重疊,沒有任何空氣間隙。從上到下,設計的補丁在BDS-1 s波段,BDS-1 l波段,BDS-2 B3-band, L1和GPS / GLONASS L1 / BDS-2 B1-band分別產生共鳴 。上下微帶片展示在Ta

7、conic RF-60描述厚度為3.2毫米相對介電常數為6.15的基底，同時展示在Taconic CER-10上的第二第三塊微帶片描述厚度為2.5毫米相對介電常數為10的基底。如圖1所示，基底的外半徑是rs1,rs2,rs3，rs4,同時微帶的外半徑是rp1，rp2，rp3，rp4.每個微帶片通過半徑為毫米的雙正交探針進行饋電。探針相對于，每個原始的微帶片的距離分別是df1，df2，df3，df4。導電材料做成的梯式半徑為rc1，rc2，rc3，rc4的空支柱用來減少由于過長通過基底的饋電探針過長誘發產生的電感。微帶片和空支柱一起組成了在【3】中報道的出名環狀微帶天線。聚四氟乙烯基板上打滿直徑

8、為3.1毫米的通路孔同軸饋電探針穿過空支柱而不是多層基板，這將導致電感的減少。商業電磁軟件Ansoft HFSS 用來設計和優化幾何參數。最后，制定的最佳參數如下：rs1=17.0毫米，rs2=22.5毫米，rs3=30.0毫米，rs4=35.0毫米，rp1=12.5毫米，rp2=18.0毫米，rp3=26.0毫米，rp4=31.5毫米，df1=3.5毫米，df2=7.5毫米，df3=12.5毫米，df4=17.8毫米，rc1=1.0毫米，rc2=5.0毫米，rc3=9.5毫米，rc4=15.0毫米。B相位正交的饋電網絡如圖2所示，所劃的相位正交的饋電網絡的配置包括4個個90帶狀線平衡變壓器。

9、由于價格低廉，帶狀變壓器常常被印在相對介電常數為2.65，厚度為2毫米的FR-4基板上。需要應用一個3dB級聯Wilkinson功率分配器和一個擁有不同長度的電介質條狀線的90度相移器來使每個變換器輸出的振幅穩定，相位正交。1,2,3,4號平衡器的輸出端口如圖1連接到相應的饋電探針上。1,2,3號平衡器的中心頻率設計在24921616HZ到1268MHZ。與此同時，4號平衡器需要同時在GPS L1, GLONASS L2和 BDS-2 B1 的頻帶上，其中心頻率設計為1583MHZ。圖3展示了平衡器輸出的對于GPS L1/GLONASS L1/BDS-2 B1的相位及振幅。可以觀測到在設計相位

10、上可以獲得每個平衡器的輸出端口的平衡功率分配和符合90度的相位。另外，相比在【9】中提到的微帶線，這種帶狀饋電網絡可以更進一步的減小微帶片和探針之間的耦合程度。 3.討論與結果圖4 中顯示了所計劃的堆疊補丁和相位正交的饋電網絡的制造和集成。制造原型的參數用安捷倫E8363B網絡分析儀測量。圖5顯示了 模擬和測量參數包括回波損耗和隔離度,這表明測量和模擬之間是合理一致的。測量的回波損耗描述了不到15分貝的高性能(對應)，測量的在不同端口的隔離度在所有頻帶上停留10dB上。測量和模擬之間的差異 主要是由于制造錯誤導致。特別地，基底的介質常數可能不是完全一致的。基板的半徑和厚度也可能略偏離了設計。因

11、為手動用螺絲固定補丁的堆疊, 現有補丁之間可能仍有一定的空氣間隙。圖6給出了模擬和測量 側向和軸向比率(AR)。我們可以觀察到在整個頻帶 獲得保持大于0 dB和下面的基于“增大化現實”技術的保持 3.0 dB的設計。圖7給出了在1268年分別在1575、1616和2492 MHz規范化E-plane CP輻射模式的測量。 我們可以觀察到在所有設計的頻率實現廣闊覆蓋。獲得了在1268、1575和2492 MHz純粹的右手 RHCP(CP)的性能以及在1616 MHz純左手LHCP(CP)性能。 在所有設計頻率中CP隔離是超過12 dB。 我們進一步注意,側向AR在1268 MHz是2.1 dB,

12、 在1575 MHz1.8 dB, 在1616 MHz是1.9 dB, 在2492 MHz是2.3 dB,暗示CP性能好。 此外,測獲得量CP在1268MHz是2.14 dBi, 在1575 MHz是 2.74 dBi, 在1616 MHz 是3.42 dBi和在2492 MHz是5.43 dBi 4結論本論文在對GNSS天線應用提出一種新型探針饋電堆疊環形微帶天線 。 該天線可以覆GPS L1,格洛納斯 L1,BDS-1 L BDS-1,BDS-2 B1,BDS-2 B3的頻段。我們的設計的關鍵特性是梯式半徑做空支柱以避免更多的電感一個原型開發和測量 來驗證這個概念。模擬和 結果證明該天線具

13、有良好的阻抗 匹配,廣泛的覆蓋率,良好CP的性能。參考文獻1 China Satellite Navigation Office, “BeiDou navigation satellite systemsignal in space interface control document open service signal B1I,”2012 Online. Available: 2 L. Boccia, G. Amendola, and G. D. Massa, “A shorted elliptical patchantenna for GPS applications,” IEEE A

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