摘" 要：随着北斗卫星导航系统的发展，导航定位需求不断增加，圆极化北斗导航天线具有重要的研究价值。为满足北斗终端设备对天线尺寸小型化、低轴比以及多频段的需求，文章采用单馈电点和两层贴片的设计方案，设计出一款覆盖BDS-3 B3I和BDS-3 B1I频段的微带天线，该设计方案采用在圆形贴片上开槽的方式引入微扰使天线辐射圆极化波。此外，通过引入CSRR结构实现天线小型化。结果表明，提出的天线在两个频段均实现右旋圆极化，尺寸为60 mm×60 mm×5.8 mm，BDS-3 B3I和BDS-3 B1I频段轴向增益均大于2.6 dB，轴向轴比小于3 dB，仰角20°轴比小于7 dB，仰角20°增益大于-4 dB，满足设计指标。在大地测量、桥梁施工、海洋测量、自动驾驶导航等定位精度要求较高的场景中具有广泛的应用前景。
关键词：导航；微带天线；双频；圆极化
中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）24-0021-05
Design of Dual-frequency Circular Polarization Beidou Navigation Microstrip Antenna
LI Lishan
（Anhui Telecom Planning and Design Co.， Ltd.， Hefei" 230031， China）
Abstract： With the development of Beidou navigation satellite system， the demand for navigation and positioning is increasing， and the circular polarization Beidou navigation antenna has important research value. To meet the requirements of Beidou terminal equipment for antenna size miniaturization， low axial ratio and multi-frequency band， this paper adopts a design scheme of single feed point and two-layer patch to design a microstrip antenna covering BDS-3 B3I and BDS-3 B1I frequency bands. And the design scheme introduces the perturbation to make the antenna radiate the circular polarization wave by the method of opening slot on a circular patch. In addition， it realizes the antenna miniaturization by introducing the CSRR structure. The results show that the proposed antenna realizes circular polarization in both frequency bands， with dimensions of 60 mm×60 mm×5.8 mm. The axial gains of BDS-3 B3I and BDS-3 B1I bands are both greater than 2.6 dB， the axial ratio is less than 3 dB， the axial ratio of the elevation angle 20°is less than 7 dB， and the gain of the elevation angle 20° is greater than -4 dB， which meet the design index. It has a wide range of application prospects in scenarios with high positioning accuracy requirements， such as geodesy， bridge construction， oceanographic surveying， and autonomous driving navigation.
Keywords： navigation; microstrip antenna; dual-frequency; circular polarization
0" 引" 言
卫星导航系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分，广泛应用于政治、军事、社会和经济领域。北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System， BDS）是我国自主研发的全球卫星导航系统，它的建设实现了我国在军事自主权方面的突破，同时也为国内减少GPS专利费用等带来了显著的经济效益[1-4]。天线作为电磁波的发射和接收装置，是卫星通信导航系统中最重要的组成部分之一，其性能好坏直接影响导航系统定位的准确性。随着北斗卫星导航系统建设的逐步推进，对导航天线的构成以及功能方面的要求也逐渐提高[5-6]，其性能会影响到整个终端设备的用户体验。
微带天线具有小体积、轻重量、低刨面、易共型的特点，更加广泛应用在导航领域。线极化天线对于人们的需求已经远不能满足，因此对圆极化微带天线的研究具有实际意义。Sahana等设计了一款用于GPS辅助GEO增强导航接收机的双频圆极化环形贴片天线[7]，该天线用于覆盖L波段，通过在外环和内环中心空间的两个正交带中引入扰动来产生两波段的圆极化。Liang等人设计一款低轮廓、高孔径效率的六角圆极化微带天线阵[8]，在环形天线中加入微扰元件并通过加载三角形贴片来产生良好的圆极化波辐射。
基于上述研究工作，本文提出一款单馈电点结合两层贴片的设计方案，结合天线尺寸小型化、低轴比以及多频段的需求，实现了工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I频段的微带贴片天线，并通过引入CSRR结构实现天线的小型化性能。该设计方案采用在圆形贴片上开槽的方式引入微扰使天线辐射圆极化波。仿真结果表明该天线的设计方案满足既定的设计指标，工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I频段，具有良好的辐射特性。
1" 天线的结构
考虑到使用多个馈电的方式馈电网络较为复杂以及实现难度较大，因此本文采用单个馈电点的方式来降低天线设计时的难度以及天线的尺寸，考虑到北斗导航终端设备的多频段兼容性，因此需要设计出一款工作在多个频段的天线。由于BDS-3 B1I与BDS-3 B3I频段相隔较远，因此采用两层贴片同心放置的方式让天线工作在BDS-3 B1I和BDS-3 B3I频段。本文采用一个馈电点和两层贴片层叠结构的设计方案。
为提高天线的轴比性能，天线的两层贴片均采用对称性圆形贴片，同时将其同心放置，下层贴片使天线工作在低频率BDS-3 B3I频段，上层贴片使天线工作在BDS-3 B1I频段。天线辐射单元印刷在上下两层FR4环氧树脂介质基板上（相对介电常数4.4，损耗角正切0.02），两层辐射单元均采用圆形贴片，天线结构如图1所示。h2=1.6 mm和h1=4.2 mm分别为上下层介质基板厚度，介质板长宽均为60 mm。天线的上下层贴片的结构，下层贴片覆盖频率较低，因此贴片面积相对较大，其半径用R1表示；该贴片包含与X轴成45度和-135度的两条缝，长度分别为L1和L2，缝的宽度为w1。上层贴片覆盖频率相对较高，因此贴片面积相对较小，其半径用R2表示；该贴片包含与X轴成45度和-135度的两条缝，长度分别为L3和L4，缝的宽度为w2的设计可以有效减小天线的尺寸。两层贴片的大致半径可以通过式（1）计算得到：
（1）
式（1）是圆形贴片半径与工作频率的经验公式[9]，其中c表示真空中的光速，εr表示介质基板的相对介电常数，f表示辐射贴片的工作频率。从式（1）可以计算出BDS-3 B3I（1 268 MHz）和BDS-3 B1I（1 561 MHz）这两个频段对应的贴片半径分别为32.6 mm和26.5 mm。
为了减少天线使天线的尺寸更小，尝试性地将CSRR结构引入天线中。1999年，Pendry等人提出了一种利用开环谐振器（Split-Ring Resonator， SRR）和周期性排列的金属棒，其在特定的微波频率下呈现出有效磁导率和有效介电常数同时为负值的人工复合结构[10]。SRR结构由两个金属开口同心环构成，其结构在其谐振频率处呈现出负等效磁导率的超材料特性。
2004年，Falcone等人在SRR结构的基础上提出了互补开环谐振器（Complementary Split-Ring Resonator， CSRR）结构[11]，CSRR是SRR的互补结构，其结构如图2（a）所示。CSRR结构的等效电路如图2（b）所示，它被表示为LC谐振回路的并联形式，其中电感Lr=L0/4，电容Cr，L0=2πRLpul，Lpul为单位长度的电感。CSRR结构的谐振频率f0可以通过计算得出。CSRR结构可以等效为放置在贴片圆环中线上的一个电偶极子。
针对上述结构，设计了两种天线结构对加入的CSRR结构能减小天线尺寸进行验证，结果如图3所示，可以看到，在没有加入CSRR结构时（蓝色的点划线），天线工作在1.57 GHz左右，在加入CSRR结构后（橙色的实线），天线工作在1.46 GHz，可以得出，加入CSRR结构可以有效地降低天线的尺寸。
在所设计的双层北斗导航天线中，上下层贴片均加入CSRR来实现天线的小型化，如图2所示，在下层贴片中，CSRR的外围半径为Cr1，开槽宽度为s1，内外槽之间的间距为p1，开口宽度为g1，在上层贴片中，CSRR的外围半径为Cr2，开槽宽度为s2，内外槽之间的间距为p2，开口宽度为g2。
2" 天线的仿真分析
为了验证圆极化双频天线的性能，采用表1中的尺寸对天线进行建模仿真，天线达到了北斗导航天线技术指标。天线的回波损耗随频率变化的曲线如图4所示。
2.1" 天线的回波损耗仿真结果
通过仿真软件对天线最佳参数的建模，可以得到天线的回波损耗曲线如图4所示。可以得到天线共有两个谐振频段，可以覆盖BDS-3 B3I（1 268.52 MHz±15.34 MHz）、BDS-3 B1I（1 561.098 MHz±2.046 MHz）频段。其中BDS-3 B3I频段的S11小于-10 dB的绝对带宽为41MHz（1 261.6 MHz～1 302.6 MHz），相对带宽为3.2%，BDS-3 B1I频段的S11小于-10 dB的绝对带宽为56.4 MHz（1 537.4 MHz～1 593.8 MHz），相对带宽为3.6%。
2.2" 天线的轴比仿真结果
通过仿真软件对天线最佳参数的建模，天线的轴比如图5所示，图中显示天线在BDS-3 B1I及BDS-3 B3I频段轴比随频率的变化曲线图。从图5可看出BDS-3 B1I频段轴比小于3 dB的带宽为20.9 MHz（1 555.6 MHz～1 576.5 MHz）。在BDS-3 B3I频段轴比小于3 dB的带宽为10.6 MHz（1 264.0 MHz～1 274.6 MHz）。
2.3" 天线的极化方式
通过仿真软件对天线最佳参数的建模，可以得到设计的天线在BDS-3 B1I频点（1 561.098 MHz）处的表面电流分布情况，如图6所示，可以得到当天线通过同轴馈电被激励时，圆形贴片的两组TM11模式在BDS-3 B1I频率处被激励，具有相等的幅度和90°的相位差，从而产生圆极化。图6显示出了由于在BDS-3 B1I频率处两个模式的激励而引起的表面电流分布。对于θ=0°、90°、180°和270°时表面电流的不同分布，可以得到天线在BDS-3 B1I频率处产生的波为右旋圆极化波，天线的极化方式为右旋圆极化。
同理可得，图7中显示出了由于在BDS-3 B3I频率处两个模式的激励而引起的表面电流分布。对于θ=0°、90°、180°和270°时表面电流的不同分布，可以得到天线在BDS-3 B3I频率处产生的波为右旋圆极化波，可以得到，天线的极化方式也为右旋圆极化。
2.4" 天线的增益
天线在BDS-3 B1I频率时的增益，如图8所示，图8为天线在BDS-3 B1I频率的3D远场增益图，从图8中可以看出，在BDS-3 B1I频率时，天线在轴向增益为2.85 dB，在θ=70°（仰角20°）时天线的增益为-2.64 dB，在θ=-70°（仰角20°）时，天线的增益为-2.79 dB。并且在BDS-3 B1I频率时，天线在轴向右旋圆极化增益为2.62 dB，同时右旋圆极化轴向增益大于左旋圆极化轴向增益16 dB以上。
天线在BDS-3 B3I频率时的增益，如图9所示，图9为天线在BDS-3 B3I频率的3D远场增益图，从图9中可以看出，在BDS-3 B3I频率时，天线在轴向增益为2.24 dB，在θ=70°（仰角20°时天线的增益为-3.48 dB，在θ=-70°（仰角20°）时，天线的增益为-3.45 dB。并且在BDS-3 B3I频率时，天线在轴向右旋圆极化增益为2.30 dB，同时右旋圆极化轴向增益大于左旋圆极化轴向增益18 dB以上。
2.5" 天线的方向图仿真
天线在BDS-3 B1I及BDS-3 B3I频段的E面和H面增益方向图，如图10所示，从图中可以看出，在BDS-3 B1I频率时，天线在轴向右旋圆极化增益为2.62 dB，交叉极化增益大于16 dB以上。天线在BDS-3 B3I频率时，天线在轴向增益为2.24 dB，交叉极化增益大于18 dB以上。
3" 结" 论
本文提出一款小型化圆极化双频微带贴片天线。通过采用同轴线馈电和双贴片的设计方案，使天线工作在BDS-3 B3I和BDS-3 B1I频段。该设计方案采用在圆形贴片上开槽的方式引入微扰用来使天线可以辐射圆极化波，在两个频段均实现右旋圆极化，引入CSRR结构减小在BDS-3 B3I频段工作时贴片尺寸大的问题，天线尺寸为60 mm×60 mm×5.8 mm，实现小型化，具有应用价值。
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作者简介：李栎杉（1996.09—），女，汉族，安徽合肥人，助理工程师，硕士，研究方向：通信工程。
