总第37卷第2期

2014年4月

m,J-间频率学报Journal of Time and Frequency

V01．37 No．2

Apr．，2014

一种右旋圆极化微带天线的设计

刘永鑫1,2,3，胡永辉1’2，侯雷1’2

(1．中国科学院国家授时中心，西安710600；

2．中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安710600；

3．中国科学院大学，北京100049)

摘要：在传统圆形微带天线的基础上，设计了一种北斗卫星导航系统的右旋圆极化微带贴片

天线。基于腔模理论，采用在传统的圆形贴片天线上开槽和单一馈电点的方法，设计仿真天

线的优化模型。优化结果显示椭圆极化轴比<3 dB，实现了天线的圆极化。已根据仿真优化结

果由PCB制板制作出圆极化天线样品。在北斗B1(1 561 MHz)频点上，把样品接入北斗授时

型接收机系统进行对比测试，系统运行稳定。仿真结果及测试结果均说明该方案是可行的。

关键词：北斗卫星导航系统；右旋圆极化；微带天线；卫星导航

中图分类号：TN820．1+1

文献标志码：A 文章编号：1674-0637(2014)02-0098一06

A design of right--handed circular polarization microstrip antenna

LIU Yong．xinl'2，3，HU Yong．huil⋯，HOU Leil’2

(1．National Time Service Centre，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 7 1 0600，China；

2．Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology,National Time Service Center,

Chinese Academy ofSciences，Xi 7all 7 1 0600，China；

3．University ofChinese Academy ofSciences，Beijing 100049，China)

Abstract：Based on traditional round micro—strip antenna，a right-handed circular polarization micro-strip

patch antenna has been designed for Beidou satellite navigation system．Based on the cavity-model theory,an

optimized model has been designed and simulated by using the method of making slots on the traditional round

patch antenna and setting signal feed point．The optimized result shows that the ellipse polarization axial ratio is

less than 3 dB，realizing the round polarization of antenna．On the basis of simulated optimization result a

prototype of round polarization antenna has been produced via PCB platemaking．The prototype of round

polarization antenna was connected to Beidou time-service receiver at B1 frequency point of 1．561 MHz for test

and comparison，and the system ran stably．The simulation and test indicate that the design is feasible．

Key words：Beidou satellite navigation system；right··handed circular polarization；micro·-strip antenna；

satellite navigation system

0 引言

近年来随着我国的北斗卫星导航系统的日趋完善，微带天线以其重量轻、尺寸灵活、成本低、结构

收稿日期：2013—04—08

基金项目：中国科学院“西部之光”人才培养计划重点资助项目(2009ZD02)

作者简介：刘永鑫，男，硕士，主要从事天线及射频电路研究。

万方数据

第2期 刘永鑫等：一种右旋圆极化微带天线的设计

简单、易共形和低剖面等特点已在空间技术、蓝牙及其他便携式设备、医用微波探头和定位导航领域得

到了广泛应用。然而，相较普通微带天线频带较窄、极化损耗大、受雨雾干扰大的缺点，圆极化微带天

线在继承普通微带天线优点的基础上具备如下优点：1)可接收任意极化的电磁波，因而能够普遍应用

于电子侦察和干扰中；2)利用其旋向正交性，使其在分集技术和电子对抗中得到了广泛使用；3)由于

圆极化电磁波可以人射对称目标，因此在移动通信和GPS领域应用它能够抑制雨雾干扰和抵抗多径反

射⋯。并且，由于我国北斗卫星导航系统内所有卫星发射信号都是右旋圆极化电磁波，所以研究右旋圆

极化微带天线具有重要意义口】。

鉴于此，本文在圆形微带天线的基础上研究设计了一种右旋圆极化微带天线。使用表面开槽的方法，

分离出2个幅度相等、相位相差900的简并模，基于腔模理论，用几何微扰的方法计算出开槽的尺寸，

使分离出的2个正交简并模实现右旋圆极化。

1 圆极化微带天线的设计与实现

目前圆极化微带天线主要由谐振式和行波式来实现p1。谐振式可分为单馈法、多馈法和多元法。由

于单馈法具有结构简单、无需外加相移网络和功分器等优点，因此本文采用单点同轴馈电，基于腔模理

论，通过在圆形微带天线上引入几何微扰，利用简并模分离元产生2个辐射正交极化的简并模，从而实

现右旋圆极化口1。该天线的结构示意图如图1所示。其设计与实现流程如图2所示。

参数计算

仿真优化

PCB制板

图I天线示意图

腔模理论

腔模理论

几何微扰

HFSS软件

HFSS软件

HFSS软件

图2设计与实现流程图

圆形贴片半径

馈电点所在圆半径

简并分离单元

归一化阻抗

轴比

万方数据

100 时间频率学报 总37卷

参数计算模块中，通过腔模理论计算出圆形微带天线贴片的半径、馈电点距离天线几何中心的距离，

通过几何微扰法粗略计算出简并分离单元面积等参数。

仿真优化模块中，使用三维电磁仿真软件HFSS建模仿真，获得回波损耗S(1，1)图、阻抗匹配

史密斯圆图(Smith Chart)和椭圆极化轴比图。回波损耗S(1，1)可以作为微带天线频点的依据，史

密斯圆图可以作为天线阻抗匹配的依据，椭圆极化轴比图可以作为天线右旋圆极化的判断的依据。根据

仿真结果，通过HFSS软件中Optimetrics工具对指定参数进行分析优化。

最后根据仿真优化结果，通过PCB制版制作天线样品后对样品进行实效测试。

1．1 圆形微带天线的参数计算

本文所讨论的圆形微带贴片天线，如图1所示，微带贴片与接地板之间可以看作谐振腔，设腔的高

度为h，微带贴片与接地板之间的介质为相对介电常数为3．1的有机玻璃(PMMA)，贴片为普通的金属

铜箔，铜箔厚度为0．035 mm，指定波长为五。，则当h《五。／10时，腔体内部仅有垂直于贴片的电场，并

且不随高度变化。贴片的边界处，电流无垂直分量，整个微带天线可以看成是上下为电壁，四周为磁壁

的腔体M1。所以可利用腔模理论对天线进行分析，求解天线半径、馈电点位置、开槽尺寸等参数。

1．1．1圆形贴片半径求解

波动方程为(V2+豇2汪=0陋1，其中V为拉普拉斯算子，k=cofcz)¨2为波动因子，缈为角频率，∥为

磁导率，￡为介电常数，E为电场E，(工，Y)，是z方向上(垂直于贴片方向)的电场强度，E=-iE,(x，Y)。力FI

转换为柱坐标(柱坐标与直角坐标之间的关系为x=pcostp，Y=psin cp，z=z)，有二il。一。=0(口c，∥I尸

¨

为微带贴片的半径)，故波动方程的解砸。71为：

Ez2 EoJ。【庀。p)eosmp

H o=一j二L EoJ．(k．p)sinn口o∞Uo

H，2一／壶毛z眈。p)cosn妒0 (，1)’m“ ＼ ，

E。=0

乜=0

H一=0

式(1)中，E为z方向上的电场分量，日，和H，分别为P和妒方向的磁场分量，髟和乓分别为P和妒

方向的电场分量，H，为z方向上的磁场分量，＆=÷为平均电场强度，矿为贴片与接地板之间的电压，』

，为贴片表面的感应电流，以(k。P)为n阶Bessel函数，Z(kp)为聆阶Bessel函数的导数。由于腔内

磁场引起的感应面电流在边缘上的分量必须为0，因此∥(七。。a)=0，对于每种模式，均可以找到一个

产生谐振的半径对应于Bessel函数的0点即k．a=厄。，其中m表示场沿径向的变化次数，n表示场沿

方位角的变化次数，厄，表示Z(knma)的第m个0点，在实际应用中通常认为n=m=1的模式(TMt，)，。f i

为主模，由波动方程在n=m=l下的解可以得出kl，==竺盟!砸1，其中，c为光速，五为给定的频率即北C

斗卫星导航系统的B1(1 561 MHz)频点，‘为天线中贴片与接地板之间的介质的相对介电常数。查表1 o』1．

可得石。=1．841，由以上分析可以得到贴片圆的半径口为』!=二。由北斗系统B1频点，此天线选取相jhjoq￡r

对介电常数为3．1的有机玻璃(PMMA)为介质，根据上述公式求得贴片的半径为31 mm。

万方数据

第2期 刘永鑫等：一种右旋圆极化微带天线的设计 101

1．1．2馈点距离天线几何中心的距离的求解

粗略计算天线的谐振电阻以确定天线的馈电点距离天线几何中心距离的大概位置。记a’为馈电点

距离天线几何中心距离，在馈电点的输入电阻为隅1

尺：—(hEoJo(—k,,a')Y。 (2)2P

式(2)中，h为上层贴片与下层接地板间的距离，也可视为PMMA介质的高度，反为平均电场强度，P为

辐射功率， P=#+只+只， 只为导体损耗， 只为介质损耗嘲， c=竺鱼盘铲·Po，异=r【(以+。(koasinp)一以一．(‰口sinp))2+COS2 p(以+，(koasinp)+J．一。(koasinp))2]sinpdp，只_-f业1‘．

； ＼ 仃 ／

蔫{三七(妇)[(妇)2一胛2])，其中盯为贴片的电导率，k为波动因子，行为场沿方向角变化的次数，此处取川，只=等帕惘2卅。

综上所述，选取介质PMMA的高度h=6 mm，根据介质本身的特性其损耗正切角tan6=0．001，由于

天线下一级的射频电路绝大多数的输人阻抗为50 Q，且射频连接线及接插件的特性阻抗也均为50 Q，

故为便于与下一级电路的阻抗匹配，本文所设计的天线在馈电点的输入阻抗R应为50 Q，于是由上述

公式确定馈电点的大概位置为a7=1 1．3 mm。

1．1．3简并分离单元尺寸求解

天线圆极化一般是分离出2个幅度相等，相位相差900的简并模来实现，对于单点馈电的天线实现

圆极化的方法也有很多种，例如细微改变天线形状(切角，近似方、圆形等)，表面开槽，外加相移网

络等一1。

本文以一种表面开槽的方法来实现圆极化，即在圆形微带贴片上去掉2块形状形同、位置对称的部

分，如图3所示。每一部分的面积约为s／2=lxW，其中f为Y方向长度，W为x方向长度。根据几何微

扰理论H1粗略计算得：剐‰=0．037(‰为未去槽前圆形贴片的总面积)，l／w--2，口=45。。伊=45。

表示馈电点的位置在X=Y的方向。

Y

图3表面开槽示意图

1．2圆形微带天线的仿真优化

1．2．1 回波损耗SO．1)的优化结果

根据以上初步计算结果利用Ansofi公司的HFSS 13．0软件进行建模仿真，得到图4所示的回波损耗

S(1，1)的仿真优化结果。图4表明回波损耗S(1，1)=一21 dB，频点为1．55 GHz，3dB带宽为1 608—

万方数据

时间频率学报 总37卷

1 520280 MHz，满足天线设计要求。

Name 工

ml l 5500

m5 l 6080

m6 j1．5205

争 一

／

1．55 1．75 1．95 2．15

频率f／GHz

图4 S(1，1)仿真结果

1．2．2 归一化阻抗仿真优化结果

图5为馈电位置为11．3 mm时的史密斯圆图，图5显示在1．55 GHz时的归一化阻抗为R=1．1 061一

jo．156 1，换算为阻抗R=(55一f7．5)Q，满足50 Q阻抗匹配要求。

二沁。。≤二图5史密斯圆图

1．2．3椭圆极化轴比仿真优化结果

利用HFSS软件建立开槽模型并通过对贴片半径a、馈电点相对于天线中心的位置(a’，p)、开槽

长度，、开槽宽度W协同仿真，优化后的椭圆极化轴比AR=2．75 dB<3dB，可以认为满足圆极化要求，

如图6所示。

Name—X——上

25．00_j

20m{

呈15‘00目当 j

磊10．00_j

l 50 1．63

频率f／(；Hz

图6轴比仿真结果

一2一O一0一L|霎|竺竺丽一m

mrr

一

1_广1JJJ__]1J

11，1__T，_r}．J

O

O

0

5●

5

5

5

9

7

2

7

l

—

l

l

2

一

一

一

∞p／一一．一一的

万方数据

第2期 刘永鑫等：一种右旋圆极化微带天线的设计 103

1．3 PCB制板及天线对比实测

根据仿真优化结果，由PCB制板制作天线样品，图7所示为天线样品。

图7天线样品

将天线样品接入北斗卫星导航系统B1频点的北斗授时型接收机系统进行测试，如图8所示。测试

表明，天线“捕获”的卫星信号稳定，测得接收机信噪比为65～73 dB。同等测试环境下，将TOJIN公司

的北斗B1频点右旋圆极化天线接人进行测试，如图9所示，测得其信噪比为61。70 dB。

2结论

图8天线样品实测系统 图9对比实测系统

根据腔模理论，分析了微带天线实现圆极化的基本原理，并根据分析以及给定参数对Bl频点

(1 561 MHz)大概求得贴片面积、开槽尺寸、馈电点位置等参数，利用HFSS软件进行建模仿真，参照

优化后回波损耗S(1，1)图、史密斯圆图和椭圆极化轴比图说明在基本的圆形微带天线上开槽加之合

适的馈电点位置可以实现微带天线的右旋圆极化。

参考文献：

【1】 王瑾，卢晓春，赵航，等．GNSS空间信号质量评估系统接收通道性能测试[J】．时间频率公报，2012，10(4)：235—243．

【2】 王威，苗俊刚，梁彬．三波段矩形切角圆极化微带天线的设计【J]．电子测量技术，2010，33(12)：1-3，28．

【3】 韩庆文，邓松，王韬．单点背馈圆极化微带天线的设计与实现阴．重庆大学学报，2008，31(1)：48—51，56．

[4】 叶云裳，李全明，杨小勇．单馈点圆极化CPS微带天线[J】．中国空间科学技术，2002，22(2)：30—34，62．

【5】 田晓青，刘少斌，张学勇，等．基于北斗卫星导航系统的一种圆极化微带天线叨．信息化研究，2011，37(2)：22—24，28．

【6】 周梓发，吴多龙，李瑞，等．一种宽频带宽角度圆极化微带天线的设计【J]．广东工业大学学报，2010，27(4)：36—38．

[7】 邵晓亮，赵丽娟，邹永庆．一种新型单馈点宽带圆极化微带天线的设计【J】．雷达与对抗，2009，3：44—46．

【8] 尹应增，张卫东，郑会利，等．正多边形贴片圆极化微带天线【J】．西安电子科技大学学报(自然科学版)，2000，27(2)：

259—261．

【9】 韩苑，苏东林．单馈点圆极化GPS微带天线的设计[J】．电子测量技术，2006，29(1)：79—80．

万方数据

专注于微波、射频、天线设计人才的培养 易迪拓培训网址：http://www.edatop.com

如 何 学 习 天 线 设 计

天线设计理论晦涩高深，让许多工程师望而却步，然而实际工程或实际工作中在设计天线时却很

少用到这些高深晦涩的理论。实际上，我们只需要懂得最基本的天线和射频基础知识，借助于 HFSS、

CST 软件或者测试仪器就可以设计出工作性能良好的各类天线。

易迪拓培训(www.edatop.com)专注于微波射频和天线设计人才的培养，推出了一系列天线设计培

训视频课程。我们的视频培训课程，化繁为简，直观易学，可以帮助您快速学习掌握天线设计的真谛，

让天线设计不再难…

HFSS 天线设计培训课程套装

套装包含 6 门视频课程和 1 本图书，课程从基础讲起，内容由浅入深，

理论介绍和实际操作讲解相结合，全面系统的讲解了 HFSS 天线设计的

全过程。是国内最全面、最专业的 HFSS 天线设计课程，可以帮助你快

速学习掌握如何使用 HFSS 软件进行天线设计，让天线设计不再难…

课程网址：http://www.edatop.com/peixun/hfss/122.html

CST 天线设计视频培训课程套装

套装包含 5 门视频培训课程，由经验丰富的专家授课，旨在帮助您从

零开始，全面系统地学习掌握 CST 微波工作室的功能应用和使用 CST

微波工作室进行天线设计实际过程和具体操作。视频课程，边操作边

讲解，直观易学；购买套装同时赠送 3 个月在线答疑，帮您解答学习

中遇到的问题，让您学习无忧。

详情浏览：http://www.edatop.com/peixun/cst/127.html

13.56MHz NFC/RFID 线圈天线设计培训课程套装

套装包含 4 门视频培训课程，培训将 13.56MHz 线圈天线设计原理和仿

真设计实践相结合，全面系统地讲解了 13.56MHz 线圈天线的工作原

理、设计方法、设计考量以及使用 HFSS 和 CST 仿真分析线圈天线的

具体操作，同时还介绍了 13.56MHz 线圈天线匹配电路的设计和调试。

通过该套课程的学习，可以帮助您快速学习掌握 13.56MHz 线圈天线及

其匹配电路的原理、设计和调试…

详情浏览：http://www.edatop.com/peixun/antenna/116.html

`

专注于微波、射频、天线设计人才的培养 易迪拓培训网址：http://www.edatop.com

关于易迪拓培训：

易迪拓培训(www.edatop.com)由数名来自于研发第一线的资深工程师发起成立，一直致力和专注

于微波、射频、天线设计研发人才的培养；后于 2006 年整合合并微波 EDA 网(www.mweda.com)，

现已发展成为国内最大的微波射频和天线设计人才培养基地，成功推出多套微波射频以及天线设计经

典培训课程和 ADS、HFSS 等专业软件使用培训课程，广受客户好评；并先后与人民邮电出版社、电

子工业出版社合作出版了多本专业图书，帮助数万名工程师提升了专业技术能力。客户遍布中兴通讯、

研通高频、埃威航电、国人通信等多家国内知名公司，以及台湾工业技术研究院、永业科技、全一电

子等多家台湾地区企业。

我们的课程优势：

※ 成立于 2004 年，10 多年丰富的行业经验

※ 一直专注于微波射频和天线设计工程师的培养，更了解该行业对人才的要求

※ 视频课程、既能达到了现场培训的效果，又能免除您舟车劳顿的辛苦，学习工作两不误

※ 经验丰富的一线资深工程师主讲，结合实际工程案例，直观、实用、易学

联系我们：

※ 易迪拓培训官网：http://www.edatop.com

※ 微波 EDA 网：http://www.mweda.com

※ 官方淘宝店：http://shop36920890.taobao.com