摘  要： 设计了一款应用于导航卫星系统的多频段圆极化微带天线。天线采用复合左右手传输线移相器作为馈电网络，展宽阻抗带宽并且实现了良好的右旋圆极化辐射。该天线工作在导航卫星系统GPS、BDS-2和GLONASS工作波段。采用Ansoft HFSS 13.0软件仿真，仿真结果表明该天线能够满足导航卫星信号的要求。该天线具有结构紧凑、频带宽、体积小、易于加工等特点。

关键词： 多频段；圆极化；微带天线；功分器

0 引言

　　现在，全球导航卫星系统（GNSS）已广泛应用在民用和军用领域。目前，GNSS包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及中国的BDS-1/2。其中，GPS和GLONASS已经覆盖全球。北斗一代可以同时提供导航和通信服务，并且在中国已成功应用；2012年，北斗二代向亚太大部分地区正式提供服务。随着多模卫星组合导航技术的发展，可以接收多个频率信号的卫星接收天线得到了广泛的关注。导航卫星信号要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性[1]。为了满足多模和多波段导航技术要求，需要设计一个多波段、圆极化天线。

　　微带天线具有剖面低、重量轻、成本低、容易生产等特点，但是主要的缺点就是频带窄。因此，如何实现宽频带圆极化天线是最近几年研究的热点[2-5]。然而大多数天线只能覆盖单频[2]或者单模[4-5]。参考文献[3]中提出的天线可以覆盖GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3以及BDS-1频带，与本文天线相比，该天线尺寸大、厚度厚，而且馈电网也复杂，需要使用4个威尔金森功率分配器，除此之外，它也不能覆盖GPS L2和L5、BDS B2频带。

　　本文设计了一个堆叠、分形、开槽的贴片天线，能够覆盖GPS、GLONASS和BDS-2的频带。天线背面是一个复合左右手传输线90°移相器[6]，可以实现更好的右旋圆极化。

1 天线的设计

　　1.1 堆叠贴片设计

　　本文设计的GNSS天线工作频率范围为1 164 MHz~1 230 MHz和1 559 MHz~1 610 MHz，其为右旋圆极化辐射；50 ?赘馈电匹配。由于GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1相距较近，可将它们视为一个频段，即高频段（1 559 MHz~ 1 610 MHz），由顶层天线得到该频段；而GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3相距比较近，将它们视为另一个频段，即低频段（1 164 MHz-1 239 MHz），由底层天线得到该频段。

　　天线的结构尺寸如图1所示。顶层是分形的方形贴片和一个寄生分形方环形贴片，底层是一个分形的方形贴片，可以实现多频段，而且可以减小天线体积。每个贴片都设计成分形的方形结构，这样天线制造出来后便于调节阻抗匹配。上下两个天线之间没有空气间隙，制造起来方便。顶层天线可以覆盖GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1频段（1 559 MHz~1 610 MHz），底层天线覆盖GPS L2 L5、GLONASS L2、BDS-2 B2 B3频段（1 164 MHz~     1 239 MHz）。上下两层的贴片都印刷在相对介电常数εr为9.6、厚度为4 mm的微波复合介质板上。利用商业电磁仿真软件Ansoft HFSS 13.0设计和优化天线。天线尺寸如下：L×L=55×55（mm2），L1×L1=35.5×35.5（mm2），L2×L2=30.2×30.2（mm2），L3×L3=37×37（mm2），L0=4.5 mm，顶层的辐射贴片和寄生贴片间隔2 mm。

　　1.2 馈电网络设计

　　天线背面是一个复合左右手传输线（Composite Right/left-Handed Transmission Line，CRLH）90°移相器[7]，它的结构如图2所示。它由两部分组成：一个Wilkinson功率分配器和两段相移电路（一段是复合左右手传输线，一段是传统的右手传输线）。Wilkinson功率分配器将输入功率等分到两个输出端口，同时保持两个端口良好的隔离度，CRLH和传统的右手传输线提供宽带移相。Wilkinson功率分配器中心频率为1.385 GHz。左手部分由两个T型集总元件网络级联而成，其中L=15 nH，C=6 pF。馈电网络的介质板采用厚度为1 mm、尺寸与天线介质板相同、相对介电常数为2.65的聚四氟乙烯玻璃布板。

2 天线的仿真分析

　　天线反射系数S11如图3所示。低频反射系数S11（S11≤-10 dB）带宽为170 MHz，即从1.12 GHz~1.29 GHz，可以覆盖GPS L2/L5、GLONASS L2、BDS-2 B2/B3频段；高频反射系数S11（S11≤-10 dB）带宽为210 MHz，即从1.49 GHz~1.7 GHz，可以覆盖GPS L1、GLONASS L1和BDS-2 B1频段。

　　图4是多频天线在1.17 GHz、1.20 GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的轴比，它们在phi=0、Theta=0时，AR≤3.0 dB。图5分别是多频天线在1.17GHz、1.20GHz、1.57 GHz和1.60 GHz的圆极化方向图。

3 结论

　　本文设计了一个堆叠的多频段圆极化微带天线，用来接收导航卫星信号。天线上下层贴片采用分形结构可以减小天线尺寸，上层贴片的寄生贴片可以增加高频段的阻抗带宽，天线最下面用的是复合左右手传输线90°宽带移相，可以获得良好的阻抗带宽和圆极化带宽。

参考文献

　　[1] Tu Zhihong， Chu Qingxin. Compact circular polarized antenna for GPS and CNSS applications[C]. Microwave Conference Proceedings（APMC）， 2010 Asia-Pacific， 2010：622-625.

　　[2] CHEN W S， WU C K， WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna[C]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 2001，49（3）：340-342.

　　[3] Li Jianxing， Shi Hongyu， Li Hang， et al. Quad-band probe-fed stacked annular patch antenna for GNSS applications[J]. Antennas and Wireless Propagation Letters， IEEE， 2014，13：372-375.

　　[4] DOUST E G， Clénet M， HEMMATI V， et al. An aperture-coupled circularly polarized stacked microstrip antenna for GPS frequency bands L1， L2， and L5[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium， AP-S 2008，IEEE， 2008：1-4.

　　[5] LEE Y J， GANGULY S， MITTRA R. Multi-band L5-capable GPS antenna with reduced backlobes[C]. Antennas and Propagation Society International Symposim， 2005 IEEE， 2005，1A：438-441.

　　[6] TSENG C H， CHANG C L. A broadband ouadrature power splitter using metamaterial transmission line[J]. Microwave and Wireless Components Letters， IEEE，2008，18（1）：25-27.