改进型环形环天线设计

用于GPS和SDARS汽车应用的改进型环形环天线

摘要

提出了一种用于汽车应用的集成全球定位系统（GPS）和卫星数字音频广播系统（SDARS）天线。GPS天线通过改进工作在TM12模式下的环形环天线构成，SDARS天线则采用开槽加载的退化模式TM11方形贴片，并置于环形结构中心。GPS天线在1575.4兆赫频率下以右旋圆极化方式工作，SDARS天线在2320至2345兆赫频率范围内以左旋圆极化方式工作。该天线还被安装在汽车模型上，并进行了与车辆结合的仿真分析。天线的仿真与测量结果表明其在汽车应用中具有良好的性能。

索引术语 —卫星广播；全球定位系统；汽车天线；环形环天线

I. 引言

如今，信息和娱乐系统在许多汽车应用中并存。卫星数字音频广播系统（SDARS）已在美国内陆广泛使用，以及全球定位系统（GPS），是两种最常用的应用[1-5]。SDARS工作在2.320‐2.345 GHz的S波段，采用左旋圆极化（LHCP）信号，而GPS工作在L波段1575.4兆赫，采用右旋圆极化（RHCP）信号，两者前端需满足不同的技术要求，因此在汽车应用中通常需要分别配置天线。虽然存在能够同时接收SDARS和GPS信号的单一天线结构，但一般并不优先采用，因为必须在低噪声放大器前使用带通滤波器来分离各自信号，这会增加前端的噪声系数并降低系统灵敏度。为每个应用单独使用天线会导致占用更大的天线空间，但目前这仍是汽车应用中最常用的解决方案。

本研究的目标是提出一种具有两个独立馈电端口的单一天线结构，以实现GPS与SDARS的同步接收。文献[6]中曾提出用于此目的的堆叠天线结构，但其SDARS天线的地面接收性能预计不如独立天线。在过去，单一天线结构中的双重应用已被研究，而环形环天线提供了出色的设计灵活性[7‐8]。文献[9]提出了一种工作在DCS频段的环形微带天线与工作在GPS频段的方形贴片组合的方案。然而，该方案中相对介电常数为15的方形贴片GPS天线增益明显低于许多应用所需的水平。文献[10]提出了一种采用切角方形贴片和环形结构结合的单馈GPS‐SDARS天线。尽管该天线具有优良结构和单馈电特性，但其在卫星数字音频广播系统（SDARS）上的阻抗带宽和轴比带宽仍窄于系统要求。

环形环天线为天线小型化以及地面或卫星信号接收的不同工作模式提供了多种设计灵活性[9‐10]。通过控制环形尺寸，可在相同结构上实现多频带或多天线。本研究采用一种工作于高阶模式的改进型环形环天线用于全球定位系统信号接收，同时保留环中心位置用于开槽加载TM11简并模方形贴片天线以接收卫星数字音频广播系统信号。该天线的尺寸为直径126毫米，高度3.16毫米。除了独立天线仿真与测量外，还提供了车载天线仿真，以支持该设计在汽车应用中的可行性。

II. 天线设计

目标天线规格见表1。对于全球定位系统，考虑使用L1频段，因其适用于无限制民用。由于两个系统均为仅接收系统且需要单独的低噪声放大器，因此交叉耦合不是天线设计中的影响因素。最小增益由现有用于汽车应用的天线模块的性能确定。

表I 目标天线规格

	GPS	卫星数字音频广播系统
频率（兆赫）	1575.4±10	2320 – 2345
极化	RHCP	LHCP
宽边增益（dBic）	> 5.0	> 3.0
轴比（dB）	< 3.0
VSWR	< 2.0
阻抗 (Ω)	50

提出的天线结构如图1所示。环形环天线设计用于GPS右旋圆极化，带槽中心方片设计用于卫星数字音频广播服务左旋圆极化工作。如果假设电磁场被限制在上环和接地导体之间，则可容易地证明该场为对z的横磁模式。应用通常的磁环形结构上的边界条件导致了众所周知的特征方程：

$$
\left( J_n’(kb)Y_n’(ka) - J_n’(ka)Y_n’(kb) \right) = 0 \tag{1}
$$

其中a和b表示环形环的内半径和外半径，k表示传播常数，$J_n(x)$和$Y_n(x)$分别表示第一类和第二类贝塞尔函数，上标撇号表示对kr的微分。此外，增大的b/a比值会提高方向性，但也会增加高阶模式的出现。因此，我们特别针对TM12模式工作，使得内外边缘场具有同极性，以获得良好的辐射特性。TM12模式的归一化传播常数在平均环宽度与平均半径比[11]达到0.5之前几乎保持不变。因此，选择b/a=3是兼顾方向性和单模工作的良好方案。计算得函数(1)在 b/a=3时的根，并求得$\chi_{12}$为1.7578。谐振频率由$k=\chi_{12}/a$确定。

$$
f = \frac{c}{2\pi a} \cdot \frac{\chi_{12}}{\sqrt{\varepsilon_r}} \tag{2}
$$

其中，c 是光速，$\varepsilon_r$ 是基板的相对介电常数。针对这些公式，已提出了多种基于有效相对介电常数、有效半径 a 和 b 的修正公式[12]。然而，由于结构上的槽加载和扰动，仍需根据这些经验公式确定初始设计参数，并对问题进行完整的数值求解。具有修正公式的退化 TM11 模式方形贴片的谐振频率公式见[7]。

环形环的内半径初始设置为20毫米，外半径设置为60毫米。在此尺寸和参数下，谐振频率出现在1692兆赫。通过在外边缘引入扰动，实现单馈电圆极化。为了在这些扰动后降低谐振频率，将外半径调整为63毫米。在内侧增加扰动，以缓解内方形贴片对外环形环天线的加载效应。首先，在环形环的内边缘执行与外边缘类似的扰动，然后通过数值仿真对其进行优化，以获得期望的天线特性。

环形环中心的内层贴片是为SDARS操作设计的TM11简并模式微带天线。方形贴片的一边通常约为26毫米，但这对于SDARS天线预留空间而言过大，因此在对称臂上采用电感槽加载以减小谐振贴片尺寸。两个天线均为探针馈电，馈电位置如图1所示。两个馈电点的位置经过确定，以实现适当的模式激励和阻抗匹配。采用边长为D1的方形接地平面作为天线地。

。)

III. 仿真与测量

使用基于矩量法的FEKO三维电磁场求解器对天线进行仿真。该天线制作在厚度为3.17毫米的Rogers 3006基板上（$\varepsilon_r= 6.15$，$\tan \delta= 0.002$）。天线原型如图2所示。

GPS端口和SDARS端口均采用SMA连接器。测量一个端口时，另一个端口端接50欧姆负载。测量使用Rohde & Schwarz ZVA40网络分析仪完成。GPS和SDARS的实测与仿真输入阻抗匹配结果如图3所示。实测阻抗匹配带宽（|S11|< 9.54 dB，即VSWR < 2.0）分别为GPS的20兆赫兹（1566‐1586兆赫兹）和SDARS的35兆赫兹（2310‐2345兆赫兹）。仿真与测量在目标带宽内吻合良好。

(a)
全球定位系统（测量, 仿真）。)

(b)
卫星数字音频广播系统（测量, 仿真）。)

图4显示了实测和仿真的正向增益。GPS和SDARS的峰值和实测最差带内增益分别为7.2 dBic和6.5 dBic，以及5.5 dBic和1.05 dBic。GPS和SDARS的最差带内轴比实测值分别为2.1 dB和2.6 dB。实测的SDARS增益低于仿真值，但如果增大尺寸，可以将其频率偏移至较低频率。图5显示了GPS和SDARS的归一化同极化增益方向图。两种方向图均保持对称性，与仿真结果吻合良好。波束对称性尤为关键，因为当天线安装在车辆上时，非对称的波束图通常会恶化。因此，总体而言，该天线满足表1中规定的各项指标，仅SDARS频段低端的最小增益要求除外，这一问题可轻松修正。本设计的性能与先前研究进行了比较，并在表II中进行了总结。

在FEKO中构建了一个基于矩量法的积分方程求解器的汽车模型。仿真模型如图6所示。由于除霜器网格靠近天线安装位置，因此在建模时予以包含。橡胶轮胎虽然影响较小，但也被包含在内。

(a)
全球定位系统右旋圆极化（测量，仿真）。)

(b)
卫星数字音频广播系统左旋圆极化（测量，仿真）。)

(a)
1575.4兆赫全球定位系统‐右旋圆极化（测量，仿真）。)

(b)
2.339吉赫卫星数字音频广播系统‐左旋圆极化（测量，仿真）。)

IV. 结论

双频天线采用环形环天线和开槽加载简并模贴片天线设计，用于全球定位系统和卫星数字音频广播系统应用。与当前汽车应用中广泛使用的双天线方案相比，该结构尺寸相对较小。通过对TM12模式环形环进行对称扰动以实现右旋圆极化，而TM11模式简并模贴片则通过开槽加载实现小型化和左旋圆极化工作。

对于此特定应用而言，交叉耦合或隔离不是问题，因为两个天线均作为卫星信号的仅接收元件。所提出的结构在峰值增益、阻抗带宽和增益方向图方面对汽车应用具有良好的前景。

0
45
90
135
180
225
270
315
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
-20
-20
-25
-25
-30
-30
-35

表II 性能比较

GPS				SDARS
参考	增益（dBic）	带宽（MHz）	增益（dBic）	带宽（MHz）
[6]	未说明	6.5	25
[7]	6.82	17	7.72	19
本研究	7.2	20	6.5	25