四波段探针馈电堆叠环形微带天线在全球定位系统中的应用

1、四波段探针馈电堆叠环形微带天线在全球定位系统中的应用李建兴，石宏宇，李航，张安学摘要：本论文提出了探针馈电堆叠环状微带天线在全球导航卫星系统(GNSS)中的应用。这种天线已经被设计操作应用在包括GPS、GLONASS BDS-1,BDS-2卫星导航频带上。在这个设计中，四个环形微带堆叠在一起实现多波段操作和紧凑性。满足正交相位的网络由四个用来确保圆偏振（CP）辐射的90带状线平衡变压器组成。我们的设计的另一个关键特性是梯式半径空支柱用来减少因为过长馈电探针而产生的知名电感。最后一个天线展示了在所有设计波段具有良好的阻抗匹配,广泛的模式覆盖,纯粹的CP 性能。在下文将给出并讨论设计思考的细节和实

2、验结果。关键词 全球卫星导航系统 堆叠微带天线 梯式半径空支柱 带状变压器1引言如今,全球导航卫星系统(GNSS) 被广泛用于民用和军事领域。目前,全球卫星导航定位系统包括GPS(美国),格洛纳斯 (俄罗斯),伽利略(欧洲),BDS-1 / 2(中国)等。在全球范围内已经可操作的全球卫星定位系统包括美国的全球定位系统(GPS)和俄罗斯GLONASS 系统。可以同时提供导航和通信服务的中国BDS-1系统(也称为指南针) 在中国已成功应用。在 2012年,中国宣布BDS-2开始提供亚太地区服务1。在未来,卫星导航接收器将通过使用不同的卫星导航系统提高定位的准确性和可靠性来提供多模操作。因此,多波段

3、GNSS天线 成了GNSS接收器的迫切需求。近期,GNSS天线研究引起了极大的关注, 已报道出了各种类型的GNSS天线,包括微带天线,四臂螺旋天线等。2-10。然而,大多数已创造出来的GNSS天线只能覆盖 单一波段2-4或操作在一个单一的模式中5-9。本文提出了10能够在GPS、GLONASS, BDS-2波段工作的天线。然而，它的尺寸对于一些应用偏大，微带之间的气缝也会增加制造的复杂性。此外,该天线尚未覆盖BDS-1的上行l波段和 下行的s波段。 本篇论文提出了一个全球定位系统在GPS、GLONASS BDS-1,和BDS-2波段应用的新型探针馈电堆叠环形微带天线。一个由四个90带状线平衡变

4、压器集成的的满足正交相位的网络用来确保圆偏振（CP）辐射。一个梯式半径做空支柱来减少由于过长馈电探针而产生的知名电感。第二部分描述了包括堆叠补丁和馈电网络的GNSS天线设计,第三部分介绍和讨论了实验结果 ，第四节进行了总结。 2天线设计表1总结了所需GNSS天线的设计目标，包括操作频率范围，极化模式，, 侧向方向辐射增益 1,11。此外，该天线需要四个馈线匹配到50欧姆。众所周知,堆叠补丁支持多波段操作4,探针溃馈电堆叠微带的设计可以在文献中找到5-7。因为GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1频率互相接近 ,我们介绍了一种方法来设计一个与GPS L1、GLONASS L1和BD

5、S-2 B1覆盖相同波段 的微带 。 因此,我们只需要四个堆叠在一起的微带去覆盖所有操作频率范围。此外,环微带可以用来减小尺寸。如9和10所述，较厚的基底意味着带着较强电感的较长馈电探针会导致较差的阻抗匹配。为了避免这个问题，我们引入梯式半径做空支柱。上面补丁的馈电是通过同轴馈电探针穿透空支柱而不是通过多层基板。因此, 电感减小,阻抗匹配提高,将会得到更广泛的阻抗带宽。李等。应用 于GNSS的四波段探针馈电多层环状微带天线 图1所示。几何的堆叠微带天线（a）顶视图（b顶层微带片 （c）第二个微带片（d）第三个片（e）底层微带片（d）梯式半径空支柱图2所示。 提出的满足正交网络的布局。 为了激发

6、CP模式，提出了一种由四个90带状线平衡变压器组成的新的相位正交的馈电网络。相比文献中相反的地平面补丁的微带馈电网络，带状线进一步减少了补丁和馈电网络之间的耦合程度。 A堆叠补丁设计图1 中提出了所需GNSS天线的堆叠补丁的详细几何结构。四个环形补丁 堆叠实现多波段操作和紧凑性。为了在制造后方便调整匹配阻抗，每个补丁都要装载两条长宽相同的短截线。为了实现简单的制造四个补丁互相重叠,没有任何空气间隙。从上到下,设计的补丁在BDS-1 s波段,BDS-1 l波段,BDS-2 B3-band, L1和GPS / GLONASS L1 / BDS-2 B1-band分别产生共鸣 。上下微带片展示在Ta

7、conic RF-60描述厚度为3.2毫米相对介电常数为6.15的基底，同时展示在Taconic CER-10上的第二第三块微带片描述厚度为2.5毫米相对介电常数为10的基底。如图1所示，基底的外半径是rs1,rs2,rs3，rs4,同时微带的外半径是rp1，rp2，rp3，rp4.每个微带片通过半径为毫米的双正交探针进行馈电。探针相对于，每个原始的微带片的距离分别是df1，df2，df3，df4。导电材料做成的梯式半径为rc1，rc2，rc3，rc4的空支柱用来减少由于过长通过基底的馈电探针过长诱发产生的电感。微带片和空支柱一起组成了在【3】中报道的出名环状微带天线。聚四氟乙烯基板上打满直径

8、为3.1毫米的通路孔同轴馈电探针穿过空支柱而不是多层基板，这将导致电感的减少。商业电磁软件Ansoft HFSS 用来设计和优化几何参数。最后，制定的最佳参数如下：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相位正交的馈电网络如图2所示，所划的相位正交的馈电网络的配置包括4个个90带状线平衡变压器。

9、由于价格低廉，带状变压器常常被印在相对介电常数为2.65，厚度为2毫米的FR-4基板上。需要应用一个3dB级联Wilkinson功率分配器和一个拥有不同长度的电介质条状线的90度相移器来使每个变换器输出的振幅稳定，相位正交。1,2,3,4号平衡器的输出端口如图1连接到相应的馈电探针上。1,2,3号平衡器的中心频率设计在24921616HZ到1268MHZ。与此同时，4号平衡器需要同时在GPS L1, GLONASS L2和 BDS-2 B1 的频带上，其中心频率设计为1583MHZ。图3展示了平衡器输出的对于GPS L1/GLONASS L1/BDS-2 B1的相位及振幅。可以观测到在设计相位

10、上可以获得每个平衡器的输出端口的平衡功率分配和符合90度的相位。另外，相比在【9】中提到的微带线，这种带状馈电网络可以更进一步的减小微带片和探针之间的耦合程度。 3.讨论与结果图4 中显示了所计划的堆叠补丁和相位正交的馈电网络的制造和集成。制造原型的参数用安捷伦E8363B网络分析仪测量。图5显示了 模拟和测量参数包括回波损耗和隔离度,这表明测量和模拟之间是合理一致的。测量的回波损耗描述了不到15分贝的高性能(对应)，测量的在不同端口的隔离度在所有频带上停留10dB上。测量和模拟之间的差异 主要是由于制造错误导致。特别地，基底的介质常数可能不是完全一致的。基板的半径和厚度也可能略偏离了设计。因

11、为手动用螺丝固定补丁的堆叠, 现有补丁之间可能仍有一定的空气间隙。图6给出了模拟和测量 侧向和轴向比率(AR)。我们可以观察到在整个频带 获得保持大于0 dB和下面的基于“增大化现实”技术的保持 3.0 dB的设计。图7给出了在1268年分别在1575、1616和2492 MHz规范化E-plane CP辐射模式的测量。 我们可以观察到在所有设计的频率实现广阔覆盖。获得了在1268、1575和2492 MHz纯粹的右手 RHCP(CP)的性能以及在1616 MHz纯左手LHCP(CP)性能。 在所有设计频率中CP隔离是超过12 dB。 我们进一步注意,侧向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,测获得量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结论本论文在对GNSS天线应用提出一种新型探针馈电堆叠环形微带天线 。 该天线可以覆GPS L1,格洛纳斯 L1,BDS-1 L BDS-1,BDS-2 B1,BDS-2 B3的频段。我们的设计的关键特性是梯式半径做空支柱以避免更多的电感一个原型开发和测量 来验证这个概念。模拟和 结果证明该天线具

13、有良好的阻抗 匹配,广泛的覆盖率,良好CP的性能。参考文献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

14、ntennas Wireless Propag. Lett.,vol. 2, pp. 68, 2003.3 L. Boccia, G. Amendola, and G. D. Massa, “Performance evaluationof shorted annular patch antennas for high-precision GPS systems,”Microw. Antennas Propag., vol. 1, pp. 465471, Apr. 2007.4 O. Leisten, J. C.Vardaxoglou, P. McEvoy, R. Seager, andA.W

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