新型单馈共口径三频三极化微带天线的设计

第３８卷第２期　
２０１５年４月　
电子器件　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　
Ｖ０１．３８　Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．２０１５　

Ａ　Ｎｏｖｅｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｏｎ－Ａｐｅｒｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｔｒｉ－Ｂａｎｄ　
Ｔｒｉ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　Ａｎｔｅｎｎａｓ　

Ｌ／Ｘｉａｏｌｉｎ　’　，ＷＥＩ　Ｆａｎｔｏｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｄａｙａｎｇ　
（１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＰｏｓｔｓ　ａｎｄ　Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｒｅｆｏｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆＮｅｗ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６５，Ｃｈｉｎａ；　
２．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　Ｃｏ．，ＬＴＤ．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６５．Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ａｎｔｅｎｎａ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｏｆ　ｍｕｈｉｂａｎｄ　ａｎｄ　ｔｒｉｐｌｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｍｏｎ—ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｆｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　
ｏｎｌｙ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｏａｘｉａｌ　ｐｒｏｂｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｖｅＹＳ　ｔｒｉｐｌｅ　ｂａｎｄ　ｏｆ　Ｂｅｉｄｏｕ．Ｌ　ｂａｎｄ　ｏｆ　Ｂｅｉｄｏｕｌ　ｒａｄｉａｔｅｓ　ＬＨＣＰ　ｗａｖｅ　ａｎｄ　Ｓ　ｂａｎｄ　ｒａｄｉ．　
ａｔｅｓ　ＲＨＣＰ　ｗａｖｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ．Ｄｕａｌ－ｂａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ａｎｄ　ｉｎｓｉｄｅ　ｐａｔｃｈｅｓ　ｎｅｓｔｅｄ　ｉｎ　
ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，Ｌ　ｂａｎｄ　ｏｆ　Ｂｅｉｄｏｕ２　ｉｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｍｍａｇｎｅｔｉｃ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｆｅｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｒａｄｉａｔｅｓ　ｌｉｎｅａｒｌｙ　
ｐｏｌａｒｉｚｅｄ　ｗａｖｅ．Ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｎｔｅｎｎａ　ｉｓ　ｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙ　ｆｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｏａｘｉａｌ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｙ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｔｏ　
ｂｒｏａｄｅｎ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ，ｗｈｉｃｈ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｓ　ｆｏｒ　ａ　ｕｓｕａｌ　ｌｏｗ　ａｘｉａｌ　ｒａｔｉｏ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ｆｏｒ　ａ　ｓｉｎｇｌｅ　ｆｅｅｄ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｂｅｉｄｏｕ；ｔｒｉ—ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ；ｓｉｎｇｌｅ　ｆｅｅｄ；ｎｅｓｔｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｗａｆｅｒ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ　ａｎｔｅｎｎａ　
ＥＥＡＣＣ：５２７０　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－９４９０．２０１５．Ｏ２．００５　

新型单馈共口径三频三极化微带天线的设计木　
李校林　，魏凡童　，张大杨　
（１．重庆邮电大学通信新技术应用研究中心，重庆４０００６５；２．重庆信科设计有限公司，重庆４０００６５）　

摘　要：提出了一种新型的利用单１３馈电的共１３径三频三极化微带天线，该天线可覆盖北斗系统的３个工作频段。其中北　
斗一代Ｌ频段为左旋圆极化，Ｓ频段为右旋圆极化，采用单层结构两块贴片嵌套的形式实现双频工作，通过单馈形式引入微扰　
产生两个圆极化信号；北斗二代Ｌ：Ｂ３频段为线极化，通过挖孔耦合馈电的形式实现；天线采用单个底馈探针结合容性托盘耦　
合馈电，展宽了天线的工作带宽，弥补了单馈圆极化微带天线轴比带宽窄的缺点。　
关键词：北斗；三极化；单馈；嵌套；耦合圆片；微带天线　
中图分类号：ＴＮ８２８．５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－９４９０（２０１５）０２－０２５０－０４　

圆极化微带天线具有极化旋向正交性而具备很　强的抗多径干扰能力，因此在工程中得到广泛应用。　近年来，在极化隔离、抗多径特性要求较高的卫星导　航领域，系统对微带天线提出了多频段多种极化工　作的要求，特别是双圆极化性能。双频双圆极化天　线在不同频段辐射正交的圆极化波，实现了天线的　收发共用从而提高了通信容量。　目前，实现多频圆极化的方法主要有以下３种：　一是单层介质多贴片结构　，通过各贴片的尺寸　来确定频率点，两贴片分别工作于主模和高次模，这　种结构较为简单、剖面低且便于工程实现；二是采用　双层或多层贴片的层叠结构　Ｊ，各层贴片分别辐　射不同频段的电磁波，这种天线由于多层结构导致　剖面增加且加工较为复杂。　项目来源：重庆市自然科学基金项目（ＣＳＴＣ２０１２ｊｊ４００５４）　收稿日期：２０１４—０５－１９　修改日期：２０１４—０６—１１　在研究比较了这些结构之后，提出一种新型的可　
以覆盖北斗导航系统收发３个工作频段的天线，采用　
线极化和圆极化多种极化方式组合的形式。其结构　
为在单个圆形贴片上开环形槽，两个圆形贴片相互嵌　
套，内外两部分贴片分别谐振高低端频率，从而实现　
双频的性能，在两部分贴片上分别开成对的微绕凸　
口，两对凸口呈正交位置，从而使两个频段分别辐射　
不同旋向的圆极化波；而另一线极化波工作频段则通　
过开孔耦合馈电的形式实现。利用单馈形式实现圆　
极化，由于不需功分器等馈电网络而结构简洁、紧凑，　
其设计难度远远超过多点馈电圆极化微带天线。　
依据此设计方法，进行仿真分析与优化后，提出　
了天线最终结构，给出最佳尺寸，并对天线进行了加　
工和实测。　
２５２　电　子　器件　第３８卷　
图３、图４分别给出了天线三频点处的回波损　
耗以及轴比曲线。　

ｆ／ＧＨｚ　
图３天线在１　２６８　ＭＨｚ、１　６１６　ＭＨｚ、２　４９１　ＭＨｚ　
三频点附近频带的回波损耗曲线　

１．５９６　１．６２２　２
．
４７９　

＼　／　＼　

图４天线在１　６１６　ＭＨｚ、２　４９１　ＭＨｚ两频点　
附近频带的仿真轴比曲线　

图３可以得出，天线在１　２６８　ＭＨｚ频段ＶＳＷＲ≤２　
的阻抗带宽为８　ＭＨｚ（约为０．６３％），该频段阻抗带宽稍　
窄，但对于北斗窄带系统而言依然适用；在１　６１６　ＭＨｚ，　
频段ＶＳＷＲ￣＜２的阻抗带宽为９７　ＭＨｚ（约为５．９％）；在　
２４９１　ＭＨｚ频段阻抗带宽为１２０　ＭＨｚ（约为５．４％），对于　
微带圆极化天线单点馈电形式而言，阻抗带宽均达到　
了设计要求。实物加工时，由于焊接操作误差，基片介　
电常数的不均匀以及测试环境的影响，导致谐振频率　
点略微有所偏移，但均在可控范围，实测结果基本与仿　
真吻合，天线匹配良好。　
图４可以得出１　６１６　ＭＨｚ及２　４９１　ＭＨｚ频段良　
好的圆极化性能，１　６１６　ＭＨｚ及２　４９１　ＭＨｚ频点最大　
辐射方向轴比分别为１．５　ｄＢ、０．８　ｄＢ，其３　ｄＢ轴比带　
宽分别为２６　ＭＨｚ（约为１．６％）和２８　ＭＨｚ（约为１．　
２％），完全满足北斗导航左右旋圆极化的频带收发　
应用。　
图５给出了３个频段的增益曲线，在１　２６８　
ＭＨｚ、１　６１６　ＭＨｚ、２　４９１　ＭＨｚ三频点处，增益分别为　
５．４　ｄＢ、８　ｄＢ、８　ｄＢ，（１　２６８＋５）ＭＨｚ带宽内天线的增　
益约在５　ｄＢｉ以上，（１　６１６＋７０）ＭＨｚ和（２　４９１￣６０）　
ＭＨｚ带宽内天线的增益约在６　ｄＢｉ以上。　
图６分别给出了天线在３个频点处的归一化辐　
射方向图，其中０度方向为天线辐射面法线方向。　
１　６１６　ＭＨｚ频点，在　＝０。方向上，ＬＨＣＰ电平大于其　
交叉极化电平２１　ｄＢ，在－２７。≤０≤４８。，ＬＨＣＰ电平　

ｆ／ＧＨｚ　
（ａ】１２６８　ＭＨｚ附近　

ｆ／ＧＨｚ　
（ｃ）２４９１　ＭＨｚ附近　
图５天线在三频带上的增益曲线　

’ｌ　＼　

＼Ｖ／、～　一／＼＼／／　
，１　＼　—　—　ｎ　

左旋　
右旋　

左旋　
右旋　

～一　～　三　一