一種新型載入超材料的衛星導航天線設計

王麗黎1， 馬傑2， 董培1

（1.西安理工大學 自動化與資訊工程學院， 陝西 西安 710048；2.華南理工大學 物理與光電學院， 廣東 廣州 510641）

：設計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線和一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現磁負特性的超材料結構單元。 對單頻天線接地板載入兩個超材料結構單元， 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生， 較低諧振頻率是由超材料結構單元的加入激發產生。 該天線具有結構緊湊、頻帶寬、體積小、易於加工等特點。 單頻天線加工了實物， 模擬結果與實測結果基本一致。

：雙頻段；超材料；衛星導航

：N945.12文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.05.008

引用格式：王麗黎， 馬傑， 董培.一種新型載入超材料的衛星導航天線設計［J］.微型機與應用， 2017,36（5）：24-26.

0引言

衛星導航系統是指為地面、海洋、空間及太空的各種載體提供位置、速度等資訊服務的專業系統， 可實現對目標的定位、導航和管理， 已經在軍事和民用等不同領域發揮出重要的作用， 成為不可或缺的無線電應用技術。 目前， 全球衛星導航系統(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已經覆蓋全球。 北斗一代可以同時提供導航和通信服務， 並且在中國已經成功應用；2012年， 北斗二代向亞太大部分地區正式提供服務。 隨著多模衛星組合導航技術的發展， 可以接收多個頻率信號的衛星接收天線得到了廣泛的關注。 導航衛星信號要求導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， 寬頻、多頻段、小型化等不同性能的天線成為了主流趨勢。

微帶天線具有剖面低、重量輕、成本低和容易集成等特點。 隨著科技的發展， 多頻段天線已經成為了研究的熱點。 然而大多數天線只能覆蓋單個頻段［2 5］。 參考文獻［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， 而且有較複雜的饋電網。 同時， 文獻中給出的天線設計多考慮天線自身的電性能實現， 對結構方面的設計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物理性質的等效均勻人工複合結構（複合材料）［6］。

超材料是由人工構造的微結構組成的， 以等效介電常數、等效磁導率描述其整體電磁特性。 為了方便介紹， 本文把磁導率設為橫坐標， 介電常數設為縱坐標， 理論上存在的媒質空間按磁導率和介電常數的正負關係劃分在4個象限中［7］， 如圖1所示。

1天線設計

1.1單頻天線的設計

本文設計的單頻天線工作在1.575 GHz（GPS L1）頻段， 結構模型如圖2所示。 輻射貼片的切角是為實現圓極化輻射， 調整貼片尺寸可以改變天線的工作頻率。 天線介質板的介電常數為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， 貼片對角處切掉兩個等腰三角形， 這兩個等腰三角形的腰的尺寸為6 mm×6 mm， 採用50 Ω的同軸線饋電， 饋電點距中心距離為11 mm。

分析可得， 天線模擬的反射係數為-15.03 dB， 頻寬為58.3 MHz，

實物的反射係數為-23.5 dB， 頻寬為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超材料結構單元的參數提取

如圖4所示， 將超材料結構單元放入長方體模擬區域的中間， 前後表面距離埠距離相等， 模擬區域其餘部分為真空， 長方體上下表面設為電壁邊界條件，

左右表面設為磁壁邊界條件。 這種邊界條件模擬了TEM波穿過材料樣品的情形［8］。 平面波由埠1、2激勵產生， 通過模擬可得埠1和2處S11和S21參數的實部和虛部， 將資料導入到MATLAB中， 可得超材料結構單元的相對介電常數和相對磁導率。 其中， 圖5(a)中超材料結構單元具體尺寸為：a=15.24 mm；b=0.762 mm。

對圖5分析可得，在1.2 GHz~1.4 GHz中，相對介電常數為正，相對磁導率為負。因此，可以判定此結構單元為磁負材料。

1.3載入超材料的雙頻天線

對單頻天線的接地板上載入兩個設計的超材料結構單元，天線結構如圖6所示。結構單元距橫軸的距離為1 mm，距縱軸的距離為1.27 mm。天線採用單饋的饋電方式，產生一個頻率。然後利用超材料結構單元之間的相互作用產生另外一個頻率。

2天線的模擬分析

由圖7可得，天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩圖7雙頻天線模擬結果個頻段。兩個頻點處的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°，軸比均小於3 dB；在仰角為5°時，天線的增益分別為-3 dB和-3.05 dB（滿足標準仰角5°時G≥－5 dB）。以上結果均滿足衛星導航系統的基本要求。

3結論

本文設計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線，並且加工了實物，模擬結果與實物測試結果基本一致。本文還設計了一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現磁負特性的超材料結構單元。在單頻天線的接地板上載入兩個設計的超材料結構單元，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生的，低頻段是由於超材料結構單元的作用激發產生的。

參考文獻

［1］ Liu Jiyu. GPS satellite navigation principles and methods (Second Edition)［M］. USA: Science Press, 2008.［2］ CHEN W S, WU C K, WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna［J］. 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(9): 372-375.

［4］ DOUST E G, CLENET M, HEMMATI V, et al. An aperturecoupled 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 Societh International Symposim, 2005 IEEE, 2005, 1A:438-441.

［6］ 楊天陽．太赫茲頻譜可重構MEMS超材料研究［D］．北京：北京交通大學，2014.

［7］ ZHU J， ELEFTHERIADES G V. Dual-band metamaterial-inspired small monopole antenna for WiFi applications ［J］. Electronics Letters, 2009, 45：1104-1106.

［8］ 陳曦．超材料的電磁特性與應用研究［D］．長沙：國防科技大學，2013．

［9］ YE J，CAO Q. Design and analysis of a miniature metamaterial microstrip patch antenna ［C］. Technology (iWAT), International Workshop on, 2011：290-293.

［10］ JOHN K K A， ABRAHAM J， MATHEW T. Dual band dipole antenna for RFID/WSN applications ［C］. Electronics and Communication Systems(ICECS), International Conference on, 2014：1-3.

對圖5分析可得，在1.2 GHz~1.4 GHz中，相對介電常數為正，相對磁導率為負。因此，可以判定此結構單元為磁負材料。

1.3載入超材料的雙頻天線

對單頻天線的接地板上載入兩個設計的超材料結構單元，天線結構如圖6所示。結構單元距橫軸的距離為1 mm，距縱軸的距離為1.27 mm。天線採用單饋的饋電方式，產生一個頻率。然後利用超材料結構單元之間的相互作用產生另外一個頻率。

2天線的模擬分析

由圖7可得，天線工作在1.268 GHz和1.575 GHz兩圖7雙頻天線模擬結果個頻段。兩個頻點處的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°，軸比均小於3 dB；在仰角為5°時，天線的增益分別為-3 dB和-3.05 dB（滿足標準仰角5°時G≥－5 dB）。以上結果均滿足衛星導航系統的基本要求。

3結論

本文設計了一款工作在1.575 GHz的單頻天線，並且加工了實物，模擬結果與實物測試結果基本一致。本文還設計了一款在1.2 GHz~1.4 GHz表現磁負特性的超材料結構單元。在單頻天線的接地板上載入兩個設計的超材料結構單元，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生的，低頻段是由於超材料結構單元的作用激發產生的。

參考文獻

［1］ Liu Jiyu. GPS satellite navigation principles and methods (Second Edition)［M］. USA: Science Press, 2008.［2］ CHEN W S, WU C K, WONG K L. Novel compact circularly polarized square microstrip antenna［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2001,49(3): 340-342.

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［4］ DOUST E G, CLENET M, HEMMATI V, et al. An aperturecoupled 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 Societh International Symposim, 2005 IEEE, 2005, 1A:438-441.

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［8］ 陳曦．超材料的電磁特性與應用研究［D］．長沙：國防科技大學，2013．

［9］ YE J，CAO Q. Design and analysis of a miniature metamaterial microstrip patch antenna ［C］. Technology (iWAT), International Workshop on, 2011：290-293.

［10］ JOHN K K A， ABRAHAM J， MATHEW T. Dual band dipole antenna for RFID/WSN applications ［C］. Electronics and Communication Systems(ICECS), International Conference on, 2014：1-3.