單饋點圓極化gps微帶天線

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1、30中國空間科學技術(shù)　　　　　　2002年4月CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY　　第　2　期　單饋點圓極化GPS微帶天線葉云裳　李全明　楊小勇(北京空間飛行器總體設計部,北京100086)摘要　在腔模理論基礎(chǔ)上利用微擾方法分析與設計了單饋點圓極化微帶貼片天線。通過對用于GPS的單饋點圓極化微帶貼片天線測試表明,結(jié)果與設計預估十分一致。天線除結(jié)構(gòu)緊湊,易于微波集成外,還具有十分優(yōu)良的圓對稱半球波束、良好的廣角圓極化和阻抗匹配特性,對GPS應用來說是一種性能優(yōu)良的天線。主題詞　微帶天線　圓極化　全球定位系統(tǒng)1　引言雙饋點圓極化

2、微帶天線由于需要外加3dB?90°相移網(wǎng)絡,使天線結(jié)構(gòu)與組成復雜,不便于實現(xiàn)微波集成設計。微帶天線理論分析一般采用以下三種方法:傳輸線模型、腔模理論和積分與微分方程模型(即矩量法)。本文主要是在腔模理論的基礎(chǔ)上通過微擾變分方法,給出單饋點圓極化微帶貼片天線的分析和設計。介紹一種用于GPS系統(tǒng)的單饋點圓極化微帶天線,其測試結(jié)果與設計預估十分一致。無需反復調(diào)試,做到一次設計、一次加工、一次成功。該天線除結(jié)構(gòu)緊湊,易于微波集成外,還具有十分優(yōu)良的圓對稱半球波束、良好的廣角圓極化和阻抗匹配特性。對GPS應用來說是一種性能優(yōu)良的天線。2　單饋點圓極化貼片的數(shù)學模型

3、根據(jù)腔模理論,如圖1所示的微帶貼片天線用帶線或同軸探針激勵時,電磁場在貼片和接地板間建立。由于hnK,電場只有Z向分量EZ。矩形貼片可當成一等效的開路邊界的諧振腔,它四周為理想磁壁,周壁磁場等于零;上下壁為理想電壁。其特征函數(shù)滿足齊次波動方程及腔邊界條件,有:22(¨+kmn)Wmn=0(1)5Wmn=0(2)5n利用格林第一恒等式,經(jīng)變換可得圖1　矩形微帶貼片天線示意圖收稿日期:2001203216。收修改稿日期:20012092202002年4月　　　　　　　　　　　　　中國空間科學技術(shù)　　　　　　　　　　　　　　　　312∫∫?¨Wmn?ds′2s

4、′kmn=(3)2∫∫?Wmn?ds′s′式中　s′為包圍源的表面,式(3)是波數(shù)的變分表示。對矩形微帶天線有mPnPWmn=sinxsinyWL22mPnPkmn=+WL式中　W,L分別是矩形微帶天線的寬邊和長邊尺寸。對于方形微帶貼片W=L=a;磁流分布在周邊x=±a?2,y=±a?2;相應的Ez的基模標量特征函數(shù)為W10=V0sinkxx,V0=2?aW01=V0sinkxy,kx=ky=P?a　　一個形狀規(guī)則的矩形微帶天線由一點饋電可產(chǎn)生極化正交幅值相等的二簡并模,但不能形成90°的相位差。為使二簡并模間形成90°的相位差必須在規(guī)則形狀單元上附加一

5、簡并模分離單元,使簡并模諧振頻率產(chǎn)生分離。當矩形微帶貼片天線附加分離單元$S之后(如圖2所示),其波數(shù)就不同了。當只考慮基模激勵時,新模的特征函數(shù)可寫為原來二特征函數(shù)的線性疊加:W′=pW10+qW01式中　p,q為待求常系數(shù)。利用變分理論,新波數(shù)寫成2∫∫(p¨W10+q¨W01)ds′′2s′k=(4)2∫∫(pW10+qW01)ds′s′式中　s′=S+$S1+$S2,$S=$S1+$S2。其圖2　單饋點圓極化貼片天線饋電點位置中S為未微擾貼片面積,$S1和$S2為微擾面積,′2f1(p,q)經(jīng)變換式(4)可改寫成k=(5)f2(p,q)′2式(5

6、)也可寫成方程　f1(p,q)-kf2(p,q)=0對式(5)分別求關(guān)于p,q的導數(shù),得到兩個關(guān)于p,q的一次代數(shù)齊次方程。要p,q有解則系數(shù)行列式應等于零。將圖2所示參數(shù)代入,經(jīng)計算取一次近似有′222$Sk10=k101-(6)S2′22Pk01=k10=(7)a利用特征函數(shù)正交性求解,可得到附加分離單元后的特征函數(shù):W′a=(W10-W01)?2=V0(sink10x-sink01y)?2(8)W′b=(W10+W01)?2=V0(sink10x+sink01y)?2(9)　　　　　　　　　　　　　　　　　中國空間科學技術(shù)　　　　　　　　　　　　3

7、22002年4月　　附加分離單元后,產(chǎn)生兩個特征模,它們相應的特征函數(shù)和波數(shù)如式(6)～(9)。特征[1]模對應的諧振頻率分別為f′a=for+$f′a=for(1-2$S?S)f′b=for+$f′b=for($f′b=0)cfor=2aEr其中　for是未微擾天線諧振頻率,工作頻率由圓極化條件確定,它是二諧振頻率的算術(shù)平均值;c為光速;a為貼片邊長;Er為介質(zhì)基片相對介電常數(shù)。在方形貼片對角線上象波導拐彎那樣切掉一個45°的角。該分離單元使饋電場形成兩個空間正交簡并模的諧振頻率發(fā)生分離,分離的大小決定于$S?S。為實現(xiàn)圓極化,這兩個模必須達到幅值相等

8、、相位相差90°。相等幅值可以通過適當選擇饋電位置實現(xiàn),這就是饋電點為什么位于切