由于微带贴片天线具有形状小、成本低、易共形和易加工等优点^[1]，选择特定的贴片形状和馈电方式还很容易获得圆极化模式，因此被广泛应用于卫星导航领域.然而一般的微带贴片天线存在工作带宽窄(典型值1%~3%)的缺点，不适合应用于精确测量双频导航接收机^[2].虽然通过降低微带天线介质基板的介质常数或增加基板厚度，可以拓宽其工作带宽，但拓宽量非常有限^[3]，而且随着天线的基板厚度增加，体积增大；若在矩形微带贴片上开一个或多个平行于边沿的短缝^[4-5]，可以略微减小天线的尺寸；采用耦合馈电、多点馈电、中心短路钉或贴片切角等^[6-13]改进措施，有助于适当提高贴片天线性能，但都难以大幅提高天线的工作带宽和轴比带宽.

本文研究了一种新型贴片天线，采用表面开十字形辐射槽和四点馈电的方法，不仅大幅展宽了天线工作带宽和轴比带宽，还明显地缩小了天线的尺寸.笔者将这种新型贴片天线应用于一种精确测量型的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)双频宽带贴片天线，设计了一款小型化可以覆盖GPS、GLONASS、GALILEO和中国北斗二代四套卫星系统的双频导航天线.与常规的双频圆极化天线相比，该天线的整体尺寸明显缩小，在两层基板中间没有引入其他介质层，结构紧凑，易于加工.

如图 1所示，天线是方形的微带贴片，在方形的对角线中心处表面开4个辐射槽，使之成十字形，中心增加短路钉使其保持零电位，并且在贴片轴线上选择合适的位置采用特性阻抗为50 Ω的同轴探针进行馈电.开十字形槽起到曲流作用，将增大等效电感，使谐振频率明显下降，所以特定频率的贴片天线尺寸缩小；十字形槽产生的较强辐射相当于增加了较大的损耗电阻，结果使工作模式的Q值下降，从而大幅提高了带宽.

图 1(Figure 1)

图 1 表面开十字形辐射槽的贴片天线 Figure 1 Microstrip patch antenna with a cross slot cut in the patch

笔者设计一个单频四馈点天线，将新型贴片天线与同频率的一般贴片天线进行性能对比.两种天线介质基板用TLY-5材料，厚度4.0 mm，相对介电常数为2.65，馈电点距中心均为10.3 mm，介质基板大小均为75 mm，地板大小均为144 mm；新型贴片辐射槽长19.5 mm，槽宽4 mm，如图 2所示.由于这两种结构模型的尺寸缺少经验公式^[14]计算，可先利用矩形微带天线贴片尺寸经验公式^[3]计算出初值，然后借助高频电磁场仿真软件进行仿真和优化.

图 2(Figure 2)

图 2 HFSS仿真模型 Figure 2 Simulation models of HFSS

通过仿真发现，槽长度对微带天线的工作频率有较大影响，相同贴片尺寸，十字形槽的长度越长，天线的谐振频率越低；十字形槽的宽度对天线的谐振频率也有些影响，槽越宽，天线的谐振频率越低，但槽宽对谐振频率影响并不是很明显.两种贴片天线的仿真结果见表 1.从表 1可见，一般贴片天线工作频段只能覆盖GPS L1频带，而新型贴片天线可以覆盖4个在运行导航系统的L1频段.

表 1(Table 1)

表 1 一般贴片与新型贴片仿真结果对比 Table 1 Comparing the simulation results of general and novel microstrip patch 贴片类型 贴片边长/mm 阻抗带宽(中心频率)/MHz 中心频率处3 dB轴比波束范围/(°) 右旋最大增益/dBi 一般 55.8 31(1575) 138 7.798 新型 50.9 92(1590) 142 7.792

表 1 一般贴片与新型贴片仿真结果对比 Table 1 Comparing the simulation results of general and novel microstrip patch

由此可见，开十字形槽之后，贴片天线的工作带宽大幅提高，贴片尺寸明显下降，与一般不开槽的贴片天线相比，贴片尺寸缩小约1/10，带宽提高约2倍.增益则变化很小.

图 3是制作的实物，在微波暗室中测试结果与仿真结果基本吻合，测试结果见图 4~图 5.

图 3(Figure 3)

图 3 天线样品 Figure 3 The antenna sample

图 4(Figure 4)

图 4 阻抗带宽 Figure 4 Impedance bandwidth

图 5(Figure 5)

图 5 右旋增益(φ=0°, θ=0°) Figure 5 RHCP Gain(φ=0°, θ=0°)

多GNSS系统组合导航技术受到越来越多的关注，因为它有助于接收机观测到更多的星座，不但提高了定位的能力，还能免受单一系统制约.采用双频导航可以补偿电离层延时，提高定位测量精度^[15-16].作为开十字形辐射槽的贴片天线的一个应用例子，笔者设计了一款适合于多GNSS系统组合导航精确定位的双频天线，覆盖了4个在运行导航系统的L1：1 559~1 620 MHz和L2：1 165~1 289 MHz频段.天线采用双层微带贴片叠加形式，上层贴片采用开十字辐射槽的新型贴片天线，用于接收频率较低的L2频段信号；下层采用普通的圆形贴片天线，用于接收频率较高的L1频段信号，并在每层贴片上增加调谐锯齿^[17]，如图 6所示.由于工作于频率较低的L2频段的开十字辐射槽贴片天线有效缩小了贴片面积，其贴片面积比工作于频率较高的L1频段的普通贴片天线还小，所以可以将工作于L2频段的开十字辐射槽贴片天线置于上层，工作于L1频段的普通贴片天线置于下层.这种新型结构对于提高导航精确和稳定性，并使导航终端小型化具有重要意义.

图 6(Figure 6)

图 6 双频宽带贴片天线的结构 Figure 6 Model of the dual-band patch antenna

为了保证天线相位中心稳定性，提高天线测量精度，每层微带贴片采用了均匀轴向对称的4点同轴馈电^[18]，见图 6.同时为了减少上下层之间馈电相互影响，尽量使两者馈点相距远一些.馈电网络将每个馈电点的信号移相后合路，如图 7所示，结果获得良好的圆极化信号输出.

图 7(Figure 7)

图 7 天线四馈点馈电网络 Figure 7 The feeding network of the quadrifilar antenna utilizing 3dB couplers

上层介质基板用RF-60材料，厚度6.05 mm，相对介电常数为6.15；下层介质基板用TLY-5材料，厚度4.0 mm，相对介电常数为2.20.由于天线的可调参数比较多，先将地板和调谐锯齿尺寸固定下来，结合经验公式计算尺寸初值，采用HFSS软件对其各项性能参数进行仿真计算，并综合调谐锯齿、槽的长宽、馈电点位置等对其进行优化，最终得到符合设计要求的天线结构.

图 8~图 11分别给出了天线两个频段的阻抗带宽、右旋最大增益、轴比以及相位平坦度的仿真结果.

图 8(Figure 8)

图 8 阻抗带宽 Figure 8 Impedance bandwidth

图 9(Figure 9)

图 9 右旋增益(φ=0°, θ=0°) Figure 9 RHCP gain(φ=0°, θ=0°)

图 10(Figure 10)

图 10 中心频率处轴比(φ=0°) Figure 10 Axial ratio of center frequency (φ=0°)

图 11(Figure 11)

图 11 中心频率处相位中心变化(φ=0°) Figure 11 Phase center variations of center frequency (φ=0°)

从图 8可以看出，驻波比VSWR < 2.0的工作频带为L1：1 559~1 621 MHz、L2：1 158~1 293 MHz，可以覆盖4种在运行的导航系统的L1和L2频段，达到设计目标的要求.

从图 9可以看出，在工作频段内，天线正上方的增益为：L1:8.32~8.52 dB；L2:6.57~6.87 dB.增益比较大，并且带内平坦度好.

从图 10可以看出，对应于方位角φ=0°时，在入射角θ为L1：-68°~68°、L2：-86°~86°的范围内，圆极化的轴比AR < 3.0，可见其圆极化性能良好.

通过近场拟合，从图 11中可以看出, 对应于方位角φ=0°时, 入射角θ在-75°~75°的范围内，上半空间相位的变化很小，所以其相位中心稳定性较好.

本文提出了一种表面开十字形辐射槽的新型贴片天线并对其性能进行详细分析，结果表明，与同频率的一般贴片天线相比，此类新型贴片天线具有频带宽和形状小的优点.本文还将其应用于一种实用型覆盖多星系的双频卫星导航天线，仿真结果显示，在端口匹配良好的前提下，该双频天线在较宽的工作频段内获得较大的增益和轴比带宽，可以覆盖在运行的4个导航系统的L1和L2频段.由于表面开十字形辐射槽的贴片天线大幅缩小了面积，所以可以将工作在较低频段L2的介质基片置于较高频段L1的介质基片之上，使双频导航天线进一步小型化，而且结构简单，易于加工.

本文所设计的新型双频宽带导航天线，具有4个在运行导航系统全覆盖和小型化的突出优点，有望在高精度导航定位和测量方面获得广泛应用，尤其适合于作为手持式精确导航终端的双频有源天线.