王麗黎1，馬杰2，董培1

　?。?.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.華南理工大學(xué) 物理與光電學(xué)院，廣東 廣州 510641）

       摘要：設(shè)計(jì)了一款工作在1.575 GHz的單頻天線和一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現(xiàn)磁負(fù)特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。對(duì)單頻天線接地板加載兩個(gè)超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中，較高的諧振頻率是由天線自身產(chǎn)生，較低諧振頻率是由超材料結(jié)構(gòu)單元的加入激發(fā)產(chǎn)生。該天線具有結(jié)構(gòu)緊湊、頻帶寬、體積小、易于加工等特點(diǎn)。單頻天線加工了實(shí)物，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

　　關(guān)鍵詞：雙頻段；超材料；衛(wèi)星導(dǎo)航

　　中圖分類號(hào)：N945.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.008

　　引用格式：王麗黎，馬杰，董培.一種新型加載超材料的衛(wèi)星導(dǎo)航天線設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（5）：24-26.

0引言

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是指為地面、海洋、空間及太空的各種載體提供位置、速度等信息服務(wù)的專業(yè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位、導(dǎo)航和管理，已經(jīng)在軍事和民用等不同領(lǐng)域發(fā)揮出重要的作用，成為不可或缺的無線電應(yīng)用技術(shù)。目前，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo以及中國的BDS 1/2。其中，GPS和GLONASS已經(jīng)覆蓋全球。北斗一代可以同時(shí)提供導(dǎo)航和通信服務(wù)，并且在中國已經(jīng)成功應(yīng)用；2012年，北斗二代向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)。隨著多模衛(wèi)星組合導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，可以接收多個(gè)頻率信號(hào)的衛(wèi)星接收天線得到了廣泛的關(guān)注。導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)要求導(dǎo)航終端天線具有良好的右旋圓極化特性［1］。為了滿足各種需求，寬帶、多頻段、小型化等不同性能的天線成為了主流趨勢(shì)。

　　微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低和容易集成等特點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，多頻段天線已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。然而大多數(shù)天線只能覆蓋單個(gè)頻段［2 5］。參考文獻(xiàn)［3］中提出的天線可以覆蓋GPS L1、GLONASS L1、BDS-2 B1和B3頻段。但是，該天線尺寸大、厚度厚，而且有較復(fù)雜的饋電網(wǎng)。同時(shí)，文獻(xiàn)中給出的天線設(shè)計(jì)多考慮天線自身的電性能實(shí)現(xiàn)，對(duì)結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)及不同載體的要求卻很少顧及，如天線的載體限制尺寸等。

　　超材料(Metamaterials)是一類具有自然界中材料所不具備的超長(zhǎng)物理性質(zhì)的等效均勻人工復(fù)合結(jié)構(gòu)（復(fù)合材料）［6］。超材料是由人工構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)組成的，以等效介電常數(shù)、等效磁導(dǎo)率描述其整體電磁特性。為了方便介紹，本文把磁導(dǎo)率設(shè)為橫坐標(biāo)，介電常數(shù)設(shè)為縱坐標(biāo)，理論上存在的媒質(zhì)空間按磁導(dǎo)率和介電常數(shù)的正負(fù)關(guān)系劃分在4個(gè)象限中［7］，如圖1所示。

1天線設(shè)計(jì)

　　1.1單頻天線的設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的單頻天線工作在1.575 GHz（GPS L1）頻段，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。輻射貼片的切角是為實(shí)現(xiàn)圓極化輻射，調(diào)整貼片尺寸可以改變天線的工作頻率。天線介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.65、厚度為3 mm，接地板尺寸為76 mm×76 mm，貼片大小為56 mm×56 mm，貼片對(duì)角處切掉兩個(gè)等腰三角形，這兩個(gè)等腰三角形的腰的尺寸為6 mm×6 mm，采用50 Ω的同軸線饋電，饋電點(diǎn)距中心距離為11 mm。

　　分析可得，天線仿真的反射系數(shù)為-15.03 dB，帶寬為58.3 MHz，實(shí)物的反射系數(shù)為-23.5 dB，帶寬為26.3 MHz。如圖3所示，通過方向圖可看出天線為右旋圓極化輻射。

　　1.2超材料結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)提取

　　如圖4所示，將超材料結(jié)構(gòu)單元放入長(zhǎng)方體仿真區(qū)域的中間，前后表面距離端口距離相等，仿真區(qū)域其余部分為真空，長(zhǎng)方體上下表面設(shè)為電壁邊界條件，左右表面設(shè)為磁壁邊界條件。這種邊界條件模擬了TEM波穿過材料樣品的情形［8］。平面波由端口1、2激勵(lì)產(chǎn)生，通過仿真可得端口1和2處S11和S21參數(shù)的實(shí)部和虛部，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中，可得超材料結(jié)構(gòu)單元的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。其中，圖5(a)中超材料結(jié)構(gòu)單元具體尺寸為：a=15.24 mm；b=0.762 mm。

　　對(duì)圖5分析可得，在1.2 GHz~1.4 GHz中，相對(duì)介電常數(shù)為正，相對(duì)磁導(dǎo)率為負(fù)。因此，可以判定此結(jié)構(gòu)單元為磁負(fù)材料。

       1.3加載超材料的雙頻天線

　　對(duì)單頻天線的接地板上加載兩個(gè)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元，天線結(jié)構(gòu)如圖6所示。結(jié)構(gòu)單元距橫軸的距離為1 mm，距縱軸的距離為1.27 mm。天線采用單饋的饋電方式，產(chǎn)生一個(gè)頻率。然后利用超材料結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用產(chǎn)生另外一個(gè)頻率。

2天線的仿真分析

　　由圖7可得，天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩圖7雙頻天線仿真結(jié)果個(gè)頻段。兩個(gè)頻點(diǎn)處的S11分別為-16.8 dB和-19.4 dB。從方向圖可以得出，它們均為右旋圓極化輻射；在－90°≤θ≤90°，軸比均小于3 dB；在仰角為5°時(shí)，天線的增益分別為-3 dB和-3.05 dB（滿足標(biāo)準(zhǔn)仰角5°時(shí)G≥－5 dB）。以上結(jié)果均滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本要求。

3結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一款工作在1.575 GHz的單頻天線，并且加工了實(shí)物，仿真結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果基本一致。本文還設(shè)計(jì)了一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現(xiàn)磁負(fù)特性的超材料結(jié)構(gòu)單元。在單頻天線的接地板上加載兩個(gè)設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)單元，可以使天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz。其中高頻段還是由天線自身產(chǎn)生的，低頻段是由于超材料結(jié)構(gòu)單元的作用激發(fā)產(chǎn)生的。

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