小型化雙頻導航天線的創(chuàng)新設(shè)計與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在當今數(shù)字化時代，無線通信技術(shù)已廣泛滲透到社會生活的各個層面，從人們?nèi)粘Ｊ褂玫闹悄苁謾C、平板電腦，到智能交通、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通信等大型復雜系統(tǒng)，無線通信都扮演著不可或缺的角色。隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對通信設(shè)備的性能、功能多樣性以及便攜性提出了更高要求，這使得小型化雙頻導航天線的設(shè)計成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。隨著5G乃至未來6G通信技術(shù)的逐步推進，通信頻段不斷拓寬，通信設(shè)備需要能夠同時工作在多個頻段，以實現(xiàn)更高速率的數(shù)據(jù)傳輸、更廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及更多樣化的業(yè)務(wù)應(yīng)用。例如，在5G通信中，不僅需要支持Sub-6GHz頻段以實現(xiàn)廣域覆蓋，還需要兼顧毫米波頻段來提供高速率的熱點區(qū)域覆蓋。小型化雙頻導航天線能夠在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)不同頻段的信號接收與發(fā)射，有效滿足多頻段通信的需求。與此同時，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起使得大量設(shè)備需要接入網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備通常要求體積小巧、功耗低，并且能夠穩(wěn)定地與其他設(shè)備進行通信。小型化雙頻導航天線為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型化和多功能化提供了可能，使其能夠在智能家居、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測等場景中更好地發(fā)揮作用。以智能家居中的智能攝像頭為例，通過集成小型化雙頻導航天線，既能連接家中的2.4GHzWi-Fi網(wǎng)絡(luò)進行日常監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，也能在必要時切換到5GHz頻段以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，實現(xiàn)高清視頻的流暢上傳和遠程實時查看。小型化雙頻導航天線在航空航天、軍事國防等特殊領(lǐng)域同樣具有極其重要的意義。在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星、飛船等飛行器對設(shè)備的重量和體積有著嚴格限制，小型化雙頻導航天線的應(yīng)用可以減輕飛行器的負載，提高有效載荷的比例，同時滿足飛行器在不同通信需求下的多頻段通信要求，確保與地面控制中心的穩(wěn)定通信以及各類數(shù)據(jù)的準確傳輸。在軍事國防領(lǐng)域，無論是單兵作戰(zhàn)設(shè)備、車載通信系統(tǒng)還是無人機通信鏈路，都需要小型化、高性能的雙頻導航天線來實現(xiàn)可靠的通信和精確的定位導航功能。例如，單兵作戰(zhàn)時，士兵攜帶的通信設(shè)備若配備小型化雙頻導航天線，可在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中同時利用不同頻段的通信網(wǎng)絡(luò)，避免信號干擾和阻塞，保證通信的及時性和準確性，從而提升作戰(zhàn)效率和士兵的生存能力。從市場需求角度來看，隨著消費者對電子產(chǎn)品輕薄化、多功能化的追求，小型化雙頻導航天線在消費電子市場具有廣闊的應(yīng)用前景。在智能手機市場，為了實現(xiàn)更輕薄的機身設(shè)計以及支持更多的通信功能，如同時支持4G、5G通信和Wi-Fi6E（包含2.4GHz、5GHz和6GHz頻段）等，手機廠商迫切需要高性能的小型化雙頻導航天線。此外，可穿戴設(shè)備如智能手表、智能手環(huán)等也對小型化雙頻導航天線有著強烈需求，以實現(xiàn)與手機的穩(wěn)定連接以及獨立的通信功能，為用戶提供更便捷的使用體驗。據(jù)市場研究機構(gòu)預測，未來幾年，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的普及，小型化雙頻導航天線的市場規(guī)模將持續(xù)增長，年增長率有望達到[X]%以上。綜上所述，小型化雙頻導航天線的設(shè)計與研究不僅是滿足當前無線通信技術(shù)發(fā)展的迫切需求，更是推動通信設(shè)備小型化、多功能化以及拓展無線通信應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵所在，對于提升社會信息化水平、促進經(jīng)濟發(fā)展以及保障國家安全都具有重要的戰(zhàn)略意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀小型化雙頻導航天線作為無線通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在過去幾十年間吸引了全球眾多科研團隊和企業(yè)的廣泛關(guān)注，取得了豐碩的研究成果。在國外，美國、歐洲和日本等發(fā)達國家和地區(qū)一直處于該領(lǐng)域的前沿研究地位。美國的一些科研機構(gòu)和高校，如斯坦福大學、加州理工學院等，利用先進的電磁仿真技術(shù)和材料科學，深入研究新型天線結(jié)構(gòu)和材料對小型化雙頻導航天線性能的影響。他們通過在天線結(jié)構(gòu)中引入超材料，利用超材料獨特的電磁特性，如負介電常數(shù)和負磁導率，有效減小了天線尺寸，并實現(xiàn)了雙頻段的高效輻射。例如，[國外研究團隊1]提出了一種基于超材料的小型化雙頻貼片天線，通過在貼片表面蝕刻特定圖案的超材料結(jié)構(gòu)，使天線在保持良好輻射性能的同時，尺寸減小了[X]%，并成功覆蓋了GPSL1頻段（1575.42MHz）和北斗B1頻段（1561.098MHz）。歐洲的研究則側(cè)重于多學科交叉，將電子學、物理學和機械工程等領(lǐng)域的技術(shù)融合到天線設(shè)計中。[國外研究團隊2]采用3D打印技術(shù)制造小型化雙頻導航天線，利用3D打印的高精度和復雜結(jié)構(gòu)制造能力，實現(xiàn)了傳統(tǒng)制造工藝難以實現(xiàn)的天線結(jié)構(gòu)，提高了天線的集成度和性能。日本在小型化雙頻導航天線的材料研究方面成果顯著，研發(fā)出一系列高性能的電磁材料，如低損耗、高介電常數(shù)的新型陶瓷材料和具有特殊電磁性能的納米復合材料。這些材料的應(yīng)用有效改善了天線的電氣性能，提升了天線的小型化程度和輻射效率。國內(nèi)在小型化雙頻導航天線領(lǐng)域的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速，取得了一系列令人矚目的成果。眾多高校和科研院所，如清華大學、西安電子科技大學、中國科學院等，在國家科研項目的支持下，積極開展相關(guān)研究工作。清華大學的研究團隊通過對天線結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，提出了一種新型的雙頻平面倒F天線（PIFA）結(jié)構(gòu)。該天線采用折疊和開槽技術(shù)，有效延長了電流路徑，實現(xiàn)了天線的小型化，同時通過合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其在兩個不同頻段上具有良好的阻抗匹配和輻射性能，可應(yīng)用于移動終端的衛(wèi)星導航和無線通信。西安電子科技大學則在天線的多頻段融合和小型化技術(shù)方面取得突破。他們利用分形理論設(shè)計了分形結(jié)構(gòu)的雙頻導航天線，分形結(jié)構(gòu)的自相似性和遞歸性使得天線在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生多個諧振點，從而實現(xiàn)了雙頻段工作，并且在尺寸上相比傳統(tǒng)天線大幅減小。中國科學院在小型化雙頻導航天線的工程應(yīng)用方面做出了重要貢獻，研發(fā)的天線產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、航空航天以及智能交通等領(lǐng)域，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支持。目前，國內(nèi)外在小型化雙頻導航天線設(shè)計方面主要采用以下幾種方法：一是通過改進天線結(jié)構(gòu)，如采用折疊、開槽、短路等技術(shù)，改變天線的電流分布和諧振模式，從而實現(xiàn)小型化和雙頻段工作。二是利用新型材料，如超材料、高介電常數(shù)材料、磁性材料等，這些材料的特殊電磁性能能夠有效減小天線尺寸，提高天線性能。三是借助先進的數(shù)值計算方法和電磁仿真軟件，如有限元法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）、矩量法（MoM）等，對天線的性能進行精確分析和優(yōu)化設(shè)計，縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。然而，當前小型化雙頻導航天線的設(shè)計仍存在一些不足之處。一方面，在實現(xiàn)小型化的同時，天線的輻射效率和帶寬往往會受到影響，如何在保證小型化的前提下，提高天線的輻射效率和拓寬帶寬，是亟待解決的問題。另一方面，多頻段之間的干擾問題也較為突出，尤其是在雙頻工作時，兩個頻段之間的相互干擾可能導致天線性能下降，如何有效抑制頻段間的干擾，實現(xiàn)雙頻段的穩(wěn)定工作，也是研究的重點和難點。此外，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，對天線的集成度和多功能性提出了更高要求，如何將小型化雙頻導航天線與其他射頻電路和功能模塊高度集成，實現(xiàn)一體化設(shè)計，也是未來研究的重要方向。1.3研究內(nèi)容與方法本研究圍繞小型化雙頻導航天線展開，致力于設(shè)計出一款性能卓越、尺寸小巧且能在兩個特定頻段穩(wěn)定工作的導航天線，以滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對小型化、多功能天線的迫切需求。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關(guān)鍵方面：天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化：深入研究多種經(jīng)典天線結(jié)構(gòu)，如微帶天線、單極天線、平面倒F天線（PIFA）等，分析其工作原理、特性以及在小型化和雙頻工作方面的潛力。結(jié)合當前研究熱點和實際應(yīng)用需求，創(chuàng)新性地提出一種新型的復合結(jié)構(gòu)小型化雙頻導航天線。通過巧妙設(shè)計天線的幾何形狀、尺寸參數(shù)以及各組成部分的布局，如采用折疊、開槽、短路等技術(shù)，有效延長電流路徑，改變天線的諧振模式，實現(xiàn)天線的小型化。同時，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確控制天線在兩個目標頻段的諧振頻率，確保雙頻段工作的穩(wěn)定性和高效性。利用電磁仿真軟件，如HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）、CST（ComputerSimulationTechnology）等，對設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)進行全面仿真分析。通過仿真，深入研究天線的電流分布、電場和磁場分布情況，評估天線在不同頻段下的阻抗匹配、輻射方向圖、增益、效率等性能參數(shù)。根據(jù)仿真結(jié)果，對天線結(jié)構(gòu)進行反復優(yōu)化，逐步提高天線的性能，使其滿足設(shè)計指標要求。材料選擇與應(yīng)用：調(diào)研并分析各種適用于小型化雙頻導航天線的材料，包括傳統(tǒng)的金屬材料（如銅、鋁等）以及新型電磁材料（如超材料、高介電常數(shù)材料、磁性材料等）。研究不同材料的電磁特性，如介電常數(shù)、磁導率、損耗角正切等，以及這些特性對天線性能的影響。根據(jù)天線的設(shè)計要求和性能需求，選擇合適的材料組合。例如，采用高介電常數(shù)的基板材料，可有效減小天線的尺寸；在天線結(jié)構(gòu)中引入超材料，利用其獨特的電磁特性，如負介電常數(shù)和負磁導率，進一步提高天線的小型化程度和輻射性能。同時，考慮材料的成本、加工工藝性以及與其他天線組件的兼容性等因素，確保所選材料在實際應(yīng)用中的可行性和經(jīng)濟性。多頻段干擾抑制技術(shù)研究：深入分析小型化雙頻導航天線在雙頻段工作時可能產(chǎn)生的頻段間干擾問題，包括電磁耦合、諧波干擾等。研究干擾產(chǎn)生的機理和傳播途徑，建立相應(yīng)的數(shù)學模型，以便準確分析和預測干擾對天線性能的影響。針對不同類型的干擾，提出有效的抑制方法。例如，通過優(yōu)化天線的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，采用阻抗匹配技術(shù)和平衡-不平衡變換器，減少饋線引入的干擾；在天線結(jié)構(gòu)中添加屏蔽層或隔離結(jié)構(gòu)，抑制電磁耦合干擾；利用濾波技術(shù)，如設(shè)計帶通濾波器、陷波濾波器等，對特定頻率的干擾信號進行有效抑制。通過仿真和實驗驗證干擾抑制方法的有效性，確保天線在雙頻段工作時能夠保持良好的性能，避免頻段間干擾對通信質(zhì)量的影響。天線性能測試與分析：根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計方案，制作小型化雙頻導航天線的實物樣品。在制作過程中，嚴格控制加工精度和材料質(zhì)量，確保天線的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計模型一致。利用專業(yè)的天線測試設(shè)備，如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測試暗室等，對制作好的天線樣品進行全面的性能測試。測試內(nèi)容包括天線在兩個工作頻段的輸入阻抗、回波損耗、電壓駐波比、輻射方向圖、增益、效率等參數(shù)。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比分析，評估天線的實際性能與設(shè)計預期的符合程度。對于測試結(jié)果與設(shè)計指標存在偏差的情況，深入分析原因，可能是由于加工誤差、材料特性偏差、測試環(huán)境影響等因素導致。針對具體原因，采取相應(yīng)的改進措施，如對天線結(jié)構(gòu)進行微調(diào)、更換材料或優(yōu)化測試方法，進一步提高天線的性能，使其達到或超過設(shè)計要求。為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究采用理論分析、仿真和實驗相結(jié)合的方法：理論分析：運用電磁場理論、天線原理等基礎(chǔ)知識，對天線的工作原理、特性以及小型化和雙頻工作的實現(xiàn)機制進行深入分析。建立天線的數(shù)學模型，通過理論計算和推導，初步確定天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標，為后續(xù)的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。同時，對多頻段干擾抑制技術(shù)進行理論研究，分析干擾產(chǎn)生的原因和傳播特性，為提出有效的抑制方法奠定理論基礎(chǔ)。仿真分析：借助先進的電磁仿真軟件，如HFSS、CST等，對設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)進行建模和仿真。通過設(shè)置合理的仿真參數(shù)和邊界條件，模擬天線在實際工作環(huán)境中的電磁特性。在仿真過程中，對天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行靈活調(diào)整和優(yōu)化，觀察性能參數(shù)的變化趨勢，快速篩選出較優(yōu)的設(shè)計方案。仿真分析不僅能夠直觀地展示天線的性能，還能節(jié)省大量的時間和成本，為天線的設(shè)計和優(yōu)化提供有力的支持。實驗驗證：在理論分析和仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上，制作天線實物樣品，并進行實際測試。實驗測試是驗證天線設(shè)計正確性和性能優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對天線樣品進行全面的性能測試，獲取真實的性能數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果進行對比驗證。實驗過程中，還可以發(fā)現(xiàn)一些在仿真中難以考慮到的實際問題，如加工誤差、環(huán)境因素等，為進一步改進和完善天線設(shè)計提供依據(jù)。二、小型化雙頻導航天線設(shè)計基礎(chǔ)理論2.1天線基本原理在無線通信系統(tǒng)中，天線是不可或缺的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響著整個通信系統(tǒng)的質(zhì)量。天線的主要功能是實現(xiàn)導行波與自由空間電磁波之間的相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射過程中，將發(fā)射機輸出的高頻電流轉(zhuǎn)換為空間中的電磁波進行輻射；在接收過程中，把空間中的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流，傳輸給接收機。根據(jù)不同的應(yīng)用場景和性能需求，天線的類型豐富多樣，如常見的微帶天線、單極天線、偶極天線、陣列天線等，每種天線都具有獨特的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點。2.1.1微帶天線原理微帶天線作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的一種天線類型，具有獨特的結(jié)構(gòu)和工作原理。它通常由一塊厚度遠小于工作波長的介質(zhì)基片和位于基片兩側(cè)的金屬片組成。其中，一側(cè)的金屬片完全覆蓋基片表面，形成接地板，起到屏蔽和反射電磁波的作用；另一側(cè)的金屬片則根據(jù)具體設(shè)計需求，蝕刻成特定的形狀，如矩形、圓形、橢圓形等，作為輻射貼片，是天線的主要輻射元件。微帶天線的工作原理基于傳輸線模型和空腔模型理論。從傳輸線模型角度來看，當射頻信號通過饋電線輸入到輻射貼片上時，可將輻射貼片、介質(zhì)基片和接地板近似看作一段長度為特定值（如半波長）的低阻抗傳輸線。由于傳輸線兩端開路，在開路端會產(chǎn)生電場的突變，電場可分解為相對于接地板的水平分量和垂直分量。其中，兩開路端電場的水平分量方向相同，可等效為無限大平面上同相激勵的兩個縫隙，從而向外輻射電磁波。以矩形微帶貼片天線為例，假設(shè)貼片長度為L，寬度為W，介質(zhì)基片厚度為h，工作波長為\lambda，當L\approx\frac{\lambda}{2}時，貼片兩端的縫隙可看作二元縫陣，實現(xiàn)高效輻射。從空腔模型理論分析，微帶天線在諧振頻率附近可等效為一個諧振腔。在諧振腔內(nèi)，電磁場滿足一定的邊界條件，通過求解麥克斯韋方程組，并結(jié)合邊界條件，可得到微帶天線的諧振頻率、輸入阻抗等重要參數(shù)。其諧振頻率的特征方程與天線的結(jié)構(gòu)尺寸、介質(zhì)基片的介電常數(shù)等因素密切相關(guān)。例如，對于矩形微帶貼片天線，其諧振頻率f_{mn}的計算公式為：f_{mn}=\frac{c}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{L})^2+(\frac{n}{W})^2}其中，c為光速，\varepsilon_{r}為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)，m和n分別為沿貼片長度和寬度方向的模式數(shù)。微帶天線具有一系列顯著的優(yōu)點，使其在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。首先，其剖面低、體積小、重量輕，易于與各種通信設(shè)備的表面共形，如在衛(wèi)星、導彈、無人機等飛行器上，可將微帶天線直接貼附在飛行器表面，不影響飛行器的氣動外形。其次，微帶天線采用平面結(jié)構(gòu)，適合利用印刷電路技術(shù)進行大批量生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。再者，它能與有源器件和電路集成為單一的模塊，便于系統(tǒng)的小型化和集成化設(shè)計。此外，微帶天線便于獲得圓極化特性，容易實現(xiàn)雙頻段、雙極化等多功能工作。例如，通過在輻射貼片上添加特定的結(jié)構(gòu)，如切角、開槽等，可以實現(xiàn)圓極化輻射；通過合理設(shè)計多個輻射貼片或采用多層結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)雙頻段工作。然而，微帶天線也存在一些局限性。其一，頻帶較窄，通常相對帶寬只有百分之零點幾至百分之幾，這限制了其在一些對帶寬要求較高的通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。其二，存在導體和介質(zhì)損耗，并且會激勵起表面波，導致輻射效率降低。其三，功率容量小，一般適用于中、小功率場合，在大功率通信系統(tǒng)中應(yīng)用時需要特殊設(shè)計。其四，性能受基片材料影響較大，基片材料的介電常數(shù)、損耗角正切等參數(shù)的波動會對天線性能產(chǎn)生明顯影響。2.1.2單極天線原理單極天線是一種基本且常見的天線類型，在無線通信中發(fā)揮著重要作用。它通常由安裝于接地平面上的單個導體構(gòu)成，接收機或發(fā)射機的饋線一側(cè)與該導體連接，另一側(cè)接地。單極天線的工作機制基于電流在導體中的流動產(chǎn)生電磁場輻射。當射頻信號通過饋線輸入到單極天線的導體上時，導體中會形成交變電流。根據(jù)麥克斯韋方程組，變化的電流會產(chǎn)生變化的磁場，而變化的磁場又會激發(fā)變化的電場，如此相互激發(fā)，形成電磁波向空間輻射。單極天線的長度與所收發(fā)的無線電波的波長密切相關(guān)，其諧振長度通常為工作波長的四分之一，即l=\frac{\lambda}{4}。這是因為在這個長度下，導體中的電流分布和電磁場分布能夠達到最佳的輻射狀態(tài)。例如，在VHF（甚高頻）和UHF（特高頻）頻段的移動和便攜式無線電設(shè)備中，常使用鞭狀天線作為單極天線，其長度根據(jù)工作頻率進行調(diào)整，以實現(xiàn)良好的輻射性能。常見的單極天線類型包括鞭狀天線、對講機天線、接地天線、桿狀輻射天線和傘狀天線等。鞭狀天線常用于VHF/UHF頻段的移動和便攜式無線電設(shè)備，通常具有柔性伸縮桿，方便攜帶和使用，其典型增益在0dBi左右。對講機天線用于便攜式雙向無線電裝置，通過短螺旋線增大電感，以抵消短輻射器的容抗，從而以低增益實現(xiàn)共振。接地天線是一種改進式鞭狀天線，具有從與饋線接地端連接的鞭狀天線底座延伸而出的水平天線桿，常用作緊急服務(wù)基站天線。桿狀輻射天線用于AM廣播電臺的無線電塔，通過高大的桿狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)長距離的信號輻射。傘狀天線是一種帶有中央桿狀輻射塔的大型導線天線，多條導線自輻射塔徑向往外延伸至地面，用于長距離軍事通信中的VLF（甚低頻）波段信號發(fā)射。單極天線具有尺寸緊湊的優(yōu)點，通常比偶極天線小，在空間有限的應(yīng)用場景中具有很大優(yōu)勢。例如，在手機、便攜式對講機等小型通信設(shè)備中，單極天線的緊湊尺寸使其易于集成。此外，單極天線結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，是一種經(jīng)濟有效的數(shù)據(jù)傳輸解決方案。然而，單極天線也存在一些缺點。首先，它對地面有較強的依賴，需要導電接地層才能正常工作，在一些難以實現(xiàn)良好接地的環(huán)境中，其性能會受到嚴重影響。其次，單極天線可能會受到建筑物或其他附近障礙物的影響，障礙物的存在會改變電磁波的傳播路徑和強度，導致信號衰減、反射和散射，嚴重降低其性能。2.2雙頻天線工作原理雙頻天線能夠在兩個不同頻段上實現(xiàn)穩(wěn)定的信號收發(fā)功能，其工作原理基于多種技術(shù)手段和物理現(xiàn)象，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化來達成。2.2.1多諧振結(jié)構(gòu)原理多諧振結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)雙頻天線工作的一種常見且重要的方式。其核心在于通過設(shè)計特定的天線結(jié)構(gòu)，使得天線在不同的尺寸和形狀參數(shù)下，能夠產(chǎn)生兩個或多個不同頻率的諧振模式。以微帶貼片天線為例，當在貼片上進行開槽、切角或添加寄生貼片等操作時，會改變天線表面的電流分布和電磁場分布，從而引入新的諧振點。假設(shè)在矩形微帶貼片天線的貼片上蝕刻一個矩形槽，槽的長度和寬度等尺寸會影響電流在貼片上的路徑和分布。根據(jù)電磁理論，電流分布的改變會導致天線的等效電感、電容發(fā)生變化，進而產(chǎn)生新的諧振頻率。在不考慮開槽時，矩形微帶貼片天線可能在頻率f_1處產(chǎn)生諧振，此時其諧振長度近似為半波長，滿足L_1\approx\frac{\lambda_1}{2}。當蝕刻矩形槽后，由于槽的存在，電流在槽周圍形成新的分布路徑，產(chǎn)生了一個新的等效電路，使得天線在另一個頻率f_2處也能產(chǎn)生諧振。通過精確控制槽的尺寸、位置以及貼片的其他參數(shù)，可以使f_1和f_2分別處于所需的兩個工作頻段，從而實現(xiàn)雙頻工作。在多諧振結(jié)構(gòu)中，不同諧振模式之間的相互作用和耦合也對天線性能有著重要影響。如果兩個諧振模式之間的耦合過強，可能會導致兩個諧振頻率相互靠近，甚至合并，影響雙頻特性的實現(xiàn)。因此，在設(shè)計過程中，需要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加諧振結(jié)構(gòu)之間的距離、改變它們的相對位置或引入隔離結(jié)構(gòu)等方式，來控制諧振模式之間的耦合強度，確保天線在兩個頻段上都能保持良好的性能。例如，在一個由兩個寄生貼片和一個主貼片組成的多諧振結(jié)構(gòu)微帶天線中，通過合理調(diào)整寄生貼片與主貼片之間的距離和相對位置，可以使兩個寄生貼片分別在不同頻率產(chǎn)生諧振，并且與主貼片的諧振相互配合，實現(xiàn)穩(wěn)定的雙頻工作，同時避免了諧振模式之間的過度耦合導致的性能下降。2.2.2復合饋電技術(shù)原理復合饋電技術(shù)是實現(xiàn)雙頻天線工作的另一種有效途徑。它通過采用多種不同的饋電方式或在同一天線結(jié)構(gòu)上設(shè)置多個饋電點，利用不同饋電方式或饋電點對天線電磁場分布的不同激勵作用，來實現(xiàn)雙頻工作。常見的復合饋電方式包括微帶線饋電與同軸饋電相結(jié)合、共面波導饋電與縫隙饋電相結(jié)合等。以微帶線饋電與同軸饋電相結(jié)合為例，微帶線饋電具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成的優(yōu)點，它通過在介質(zhì)基片上的微帶線將射頻信號傳輸?shù)教炀€輻射貼片上，在一定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，會激勵起天線在某個頻率f_3的諧振模式。而同軸饋電則具有良好的屏蔽性能和較低的傳輸損耗，當在同一天線結(jié)構(gòu)上同時采用同軸饋電時，由于同軸饋電的激勵方式和位置與微帶線饋電不同，會在另一個頻率f_4上激勵起天線的諧振。通過精心設(shè)計兩種饋電方式的參數(shù)，如微帶線的寬度、長度，同軸饋電點的位置等，可以使f_3和f_4分別處于目標雙頻工作頻段。在設(shè)置多個饋電點時，不同饋電點的位置和相位關(guān)系對天線的雙頻性能起著關(guān)鍵作用。每個饋電點都相當于一個獨立的激勵源，它們所產(chǎn)生的電磁場在天線結(jié)構(gòu)中相互疊加和干涉。通過調(diào)整饋電點之間的距離和相位差，可以控制天線在不同頻段上的輻射特性和阻抗匹配。例如，在一個圓形微帶貼片天線上設(shè)置兩個饋電點，當兩個饋電點之間的距離為某個特定值，并且饋電信號的相位差為180°時，會在一個頻段上產(chǎn)生特定的輻射方向圖和良好的阻抗匹配；而當改變饋電點之間的距離和相位差時，又可以在另一個頻段上實現(xiàn)所需的性能。通過這種方式，能夠有效地實現(xiàn)雙頻天線在不同頻段上的穩(wěn)定工作，并且可以根據(jù)實際應(yīng)用需求靈活調(diào)整天線的性能參數(shù)。2.2.3利用材料特性實現(xiàn)雙頻原理利用材料的特殊電磁特性也是實現(xiàn)雙頻天線工作的重要手段之一。隨著材料科學的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多具有獨特電磁性能的新型材料，如超材料、高介電常數(shù)材料、磁性材料等，這些材料為雙頻天線的設(shè)計提供了新的思路和方法。超材料是一種人工設(shè)計的復合材料，具有自然界中材料所不具備的獨特電磁特性，如負介電常數(shù)、負磁導率等。在雙頻天線設(shè)計中，將超材料引入天線結(jié)構(gòu)，可以改變天線的電磁響應(yīng)特性，實現(xiàn)雙頻工作。例如，在天線的輻射貼片或接地板上添加具有負介電常數(shù)特性的超材料結(jié)構(gòu)，超材料的負介電常數(shù)會與天線原本的電磁參數(shù)相互作用，使得天線在一個頻段上的諧振特性發(fā)生改變，從而產(chǎn)生一個新的諧振頻率。同時，天線原有的結(jié)構(gòu)和材料在另一個頻段上仍保持其原有的諧振特性，這樣就實現(xiàn)了雙頻工作。而且，超材料的特殊電磁特性還可以用于改善天線的其他性能，如提高天線的輻射效率、減小天線的尺寸等。通過合理設(shè)計超材料的結(jié)構(gòu)和布局，可以使天線在雙頻工作的同時，具備更好的整體性能。高介電常數(shù)材料在雙頻天線設(shè)計中也具有重要應(yīng)用。高介電常數(shù)材料的介電常數(shù)明顯高于普通材料，根據(jù)天線的基本理論，介電常數(shù)的變化會影響天線的波長和諧振頻率。當采用高介電常數(shù)的介質(zhì)基片來制作天線時，由于介質(zhì)基片中的波長變短，在相同的物理尺寸下，天線的諧振頻率會升高。利用這一特性，可以通過選擇合適的高介電常數(shù)材料，并結(jié)合合理的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，使天線在一個頻段上工作于基模諧振，而在另一個頻段上通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用高次模諧振實現(xiàn)雙頻工作。例如，在設(shè)計一個雙頻微帶天線時，選用介電常數(shù)為\varepsilon_{r1}的高介電常數(shù)材料作為基片，通過計算和仿真，確定天線的結(jié)構(gòu)尺寸，使天線在頻率f_5處實現(xiàn)基模諧振。然后，通過在貼片上進行開槽或添加其他結(jié)構(gòu)，改變電流分布，使天線在頻率f_6處激發(fā)高次模諧振，從而實現(xiàn)雙頻工作。此外，高介電常數(shù)材料還可以用于減小天線的尺寸，在滿足雙頻工作的前提下，實現(xiàn)天線的小型化。磁性材料同樣可以用于雙頻天線的設(shè)計。磁性材料具有一定的磁導率，其磁特性會對天線的電磁場分布和電磁性能產(chǎn)生影響。在天線結(jié)構(gòu)中引入磁性材料，可以改變天線的電感、電容等等效參數(shù)，進而實現(xiàn)雙頻工作。例如，在天線的輻射體或饋電網(wǎng)絡(luò)中添加磁性材料，磁性材料的磁導率會與天線的電磁環(huán)境相互作用，導致天線在不同頻率下的電磁響應(yīng)發(fā)生變化。通過調(diào)整磁性材料的種類、厚度、位置等參數(shù)，可以使天線在兩個不同的頻率f_7和f_8上產(chǎn)生諧振，實現(xiàn)雙頻工作。同時，磁性材料還可以用于改善天線的方向性和增益等性能，通過合理設(shè)計磁性材料在天線中的布局和應(yīng)用方式，可以使雙頻天線在不同頻段上都能獲得良好的輻射性能。2.3小型化技術(shù)原理在無線通信技術(shù)蓬勃發(fā)展的當下，對天線小型化的需求愈發(fā)迫切。小型化技術(shù)旨在減小天線的物理尺寸，同時盡可能保持或提升其性能，以滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對緊湊化、多功能化的要求。目前，實現(xiàn)天線小型化的技術(shù)手段豐富多樣，涵蓋高介電常數(shù)材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及加載技術(shù)等多個方面，每種技術(shù)都基于獨特的原理，在不同程度上推動著天線小型化的進程。2.3.1高介電常數(shù)材料應(yīng)用原理高介電常數(shù)材料在天線小型化設(shè)計中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其應(yīng)用原理基于材料的介電常數(shù)與天線尺寸、性能之間的緊密聯(lián)系。介電常數(shù)是衡量電介質(zhì)在電場中存儲電能能力的物理量，用\varepsilon表示。在天線設(shè)計中，高介電常數(shù)材料的引入會顯著改變天線的電磁特性。根據(jù)天線的基本理論，天線的尺寸與工作波長密切相關(guān)，而波長\lambda與介電常數(shù)\varepsilon存在如下關(guān)系：\lambda=\frac{\lambda_0}{\sqrt{\varepsilon_r}}其中，\lambda_0為真空中的波長，\varepsilon_r為材料的相對介電常數(shù)。從該公式可以清晰看出，當使用高介電常數(shù)的材料（即\varepsilon_r較大）時，天線內(nèi)部的波長會相應(yīng)減小。在保持工作頻率不變的情況下，根據(jù)天線的諧振條件，如對于長度為L的諧振天線，通常滿足L=\frac{\lambda}{2}（半波振子天線的諧振長度），波長的減小使得天線的物理尺寸L可以相應(yīng)減小。例如，在設(shè)計微帶天線時，若原本使用相對介電常數(shù)為\varepsilon_{r1}的普通材料，天線的尺寸為L_1；當更換為相對介電常數(shù)為\varepsilon_{r2}（\varepsilon_{r2}>\varepsilon_{r1}）的高介電常數(shù)材料后，根據(jù)上述公式，新的波長\lambda_2小于原來的波長\lambda_1，從而天線的尺寸L_2也會小于L_1，實現(xiàn)了天線的小型化。除了減小天線尺寸，高介電常數(shù)材料還對天線的其他性能產(chǎn)生影響。一方面，它可以提高天線的輻射效率。由于高介電常數(shù)材料能夠增強電場的束縛能力，使得天線內(nèi)部的電磁場分布更加集中在輻射區(qū)域，減少了能量的泄漏和損耗，從而提高了輻射效率。另一方面，高介電常數(shù)材料也會對天線的帶寬產(chǎn)生影響。一般來說，高介電常數(shù)材料會使天線的帶寬變窄，這是因為高介電常數(shù)會增加天線的等效電容，導致天線的諧振頻率對尺寸變化更加敏感。在使用高介電常數(shù)材料進行天線設(shè)計時，需要綜合考慮尺寸減小、輻射效率提高和帶寬變化等因素，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化，在實現(xiàn)小型化的同時，盡量滿足天線對帶寬和其他性能的要求。例如，可以通過在天線結(jié)構(gòu)中引入開槽、短路等技術(shù)，來調(diào)整天線的等效電感和電容，補償高介電常數(shù)材料對帶寬的影響，實現(xiàn)小型化與高性能的平衡。2.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化小型化原理通過改變天線結(jié)構(gòu)形狀實現(xiàn)小型化是一種常用且有效的方法，其原理主要基于改變天線的電流分布和諧振模式，從而在不改變天線工作頻率的前提下減小天線的物理尺寸。在天線中，電流分布與天線的輻射特性密切相關(guān)。傳統(tǒng)的簡單天線結(jié)構(gòu)，如直導線天線，電流沿導線均勻分布，其輻射特性相對較為單一。當對天線結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，通過采用折疊、開槽、短路等技術(shù)，可以改變電流的路徑和分布情況。以折疊天線為例，將原本直線狀的天線導體進行折疊，使得電流在折疊后的導體中迂回流動，電流路徑顯著延長。根據(jù)電磁理論，電流路徑的延長等效于增加了天線的電氣長度。在工作頻率不變的情況下，天線的電氣長度與物理長度存在一定的對應(yīng)關(guān)系。通過合理設(shè)計折疊的方式和次數(shù)，可以在減小天線物理尺寸的同時，保持其電氣長度不變，從而維持天線的諧振頻率和輻射特性。例如，將一個原本長度為L的直導線天線折疊成n段，每段長度為l（L=n\timesl），雖然物理尺寸明顯減小，但由于電流在各段之間迂回流動，總的電氣長度并未改變，天線仍能在原來的頻率下正常工作。開槽技術(shù)也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化小型化的重要手段之一。在天線的輻射貼片或?qū)w上開特定形狀和尺寸的槽，會改變天線表面的電流分布。槽的存在使得電流在槽的周圍形成新的分布路徑，產(chǎn)生局部的電流集中和變化。這種電流分布的改變會導致天線的等效電感、電容發(fā)生變化，進而影響天線的諧振模式。例如，在矩形微帶貼片天線上蝕刻一個矩形槽，槽的位置和尺寸會影響電流在貼片上的流動。當電流流經(jīng)槽時，會在槽的邊緣產(chǎn)生電場和磁場的變化，形成新的諧振點。通過精確控制槽的參數(shù)，可以使天線在較小的尺寸下實現(xiàn)與原天線相似的諧振特性，從而實現(xiàn)小型化。同時，開槽還可以用于調(diào)整天線的輻射方向圖和帶寬等性能。通過合理設(shè)計槽的形狀和位置，可以改變天線的輻射方向，使其更符合實際應(yīng)用需求；通過調(diào)整槽的尺寸和數(shù)量，可以在一定程度上展寬天線的帶寬，彌補小型化可能帶來的帶寬損失。短路技術(shù)同樣在天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化小型化中發(fā)揮著重要作用。在天線結(jié)構(gòu)中引入短路結(jié)構(gòu)，如短路探針、短路片等，可以改變天線的電場和磁場分布，實現(xiàn)小型化。以平面倒F天線（PIFA）為例，它通常通過在輻射貼片與接地板之間設(shè)置短路探針來減小天線尺寸。短路探針的存在使得輻射貼片與接地板之間形成低阻抗通路，改變了天線內(nèi)部的電流分布和電場分布。原本在輻射貼片上均勻分布的電流，由于短路探針的作用，在短路點附近形成電流集中。這種電流分布的改變使得天線的等效電感和電容發(fā)生變化，從而可以在較小的物理尺寸下實現(xiàn)諧振。同時，短路技術(shù)還可以提高天線的輻射效率和增益。通過合理設(shè)置短路結(jié)構(gòu)的位置和參數(shù)，可以優(yōu)化天線的輻射特性，使天線在小型化的同時，保持良好的性能。三、小型化雙頻導航天線設(shè)計方法與技術(shù)3.1設(shè)計思路與策略小型化雙頻導航天線的設(shè)計是一個復雜且綜合的過程，需要在滿足性能指標的前提下，充分考慮尺寸、成本等多方面因素，以實現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計方案。在設(shè)計過程中，應(yīng)綜合運用多種設(shè)計方法和技術(shù)手段，從天線的結(jié)構(gòu)、材料、饋電方式等多個維度進行深入研究和優(yōu)化。從性能需求出發(fā)，明確小型化雙頻導航天線需要在兩個特定頻段實現(xiàn)高效的信號收發(fā)功能。這要求天線在兩個頻段上都具備良好的阻抗匹配特性，以確保射頻信號能夠順利傳輸，減少信號反射和損耗。一般來說，天線的回波損耗應(yīng)小于-10dB，以保證足夠的能量輻射到空間中。同時，天線的輻射方向圖應(yīng)滿足實際應(yīng)用場景的需求，例如在移動通信中，通常需要天線具有全向或近似全向的輻射方向圖，以實現(xiàn)與不同方向的通信設(shè)備進行有效通信；而在衛(wèi)星通信中，可能需要天線具有高增益、窄波束的輻射方向圖，以提高信號的傳輸距離和抗干擾能力。此外，天線的增益也是一個重要的性能指標，較高的增益能夠增強信號的傳輸能力，提高通信質(zhì)量。對于小型化雙頻導航天線，應(yīng)在有限的尺寸內(nèi)，盡可能提高其在兩個頻段上的增益。在尺寸方面，隨著現(xiàn)代通信設(shè)備向小型化、便攜化方向發(fā)展，對天線的尺寸要求越來越嚴格。因此，設(shè)計過程中要運用各種小型化技術(shù)，如高介電常數(shù)材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加載技術(shù)等，有效減小天線的物理尺寸。在選擇高介電常數(shù)材料時，需綜合考慮材料的介電常數(shù)、損耗角正切、成本以及加工工藝性等因素。一般來說，介電常數(shù)越高，天線尺寸可減小的幅度越大，但同時可能會帶來較大的損耗，影響天線的性能。例如，選用相對介電常數(shù)為10的陶瓷材料作為天線基板，相比于介電常數(shù)為4的普通材料，在相同的工作頻率下，天線的尺寸可減小約[X]%。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，采用折疊、開槽、短路等技術(shù)，改變天線的電流分布和諧振模式，實現(xiàn)小型化。如將一個傳統(tǒng)的半波振子天線進行折疊，使其電流路徑延長，在保持工作頻率不變的情況下，天線的物理長度可減小至原來的[X]%。加載技術(shù)則通過在天線結(jié)構(gòu)中添加電感、電容等加載元件，改變天線的等效電路參數(shù)，從而實現(xiàn)小型化。例如，在天線的輻射貼片上加載電容，可使天線的諧振頻率降低，在相同的頻率下，天線的尺寸可以相應(yīng)減小。成本因素在天線設(shè)計中同樣不容忽視。為了實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和應(yīng)用，應(yīng)在保證天線性能的前提下，盡可能降低成本。這包括選擇成本較低的材料，優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計以簡化加工工藝，減少生產(chǎn)過程中的損耗等。在材料選擇上，雖然一些新型材料如超材料具有優(yōu)異的電磁性能，能夠有效實現(xiàn)天線的小型化和高性能，但由于其制備成本高昂，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。因此，在實際設(shè)計中，可考慮采用價格相對較低的傳統(tǒng)材料，并通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，使其性能滿足要求。在加工工藝方面，采用成熟的印刷電路技術(shù)、注塑成型技術(shù)等，能夠降低加工難度和成本。例如，對于微帶天線，利用印刷電路技術(shù)將金屬貼片和饋線印制在介質(zhì)基板上，既可以保證加工精度，又能提高生產(chǎn)效率，降低成本?；谏鲜龆喾矫娴目紤]，制定以下具體的設(shè)計策略：首先，深入研究各種經(jīng)典天線結(jié)構(gòu)和新型天線結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際應(yīng)用需求，選擇合適的基本天線結(jié)構(gòu)作為設(shè)計基礎(chǔ)。例如，對于手機等移動終端設(shè)備，平面倒F天線（PIFA）由于其剖面低、易于集成等優(yōu)點，常被作為小型化雙頻導航天線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。然后，運用高介電常數(shù)材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、加載技術(shù)等多種小型化技術(shù)，對基礎(chǔ)天線結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化，實現(xiàn)尺寸的有效減小。在這個過程中，充分利用電磁仿真軟件，如HFSS、CST等，對天線的性能進行精確分析和優(yōu)化。通過設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)，觀察天線性能的變化趨勢，快速篩選出較優(yōu)的設(shè)計方案。同時，對天線的饋電方式進行優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的饋電方式，如微帶線饋電、同軸饋電、共面波導饋電等，并合理設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配和雙頻段工作。例如，采用微帶線饋電時，通過調(diào)整微帶線的寬度、長度和位置，優(yōu)化天線的輸入阻抗，提高信號傳輸效率。此外，針對雙頻段工作時可能出現(xiàn)的頻段間干擾問題，研究并采用有效的干擾抑制技術(shù)，如添加屏蔽層、設(shè)計濾波電路等，確保天線在兩個頻段上都能穩(wěn)定工作。最后，在完成天線的設(shè)計和仿真優(yōu)化后，制作天線實物樣品，并進行全面的性能測試。根據(jù)測試結(jié)果，對天線進行進一步的優(yōu)化和改進，直至滿足設(shè)計要求。3.2關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)3.2.1基于高介電常數(shù)材料的設(shè)計在小型化雙頻導航天線的設(shè)計中，高介電常數(shù)材料發(fā)揮著舉足輕重的作用，其獨特的電磁特性為天線的小型化提供了有效的途徑。高介電常數(shù)材料的介電常數(shù)顯著高于普通材料，根據(jù)天線理論，介電常數(shù)與天線的尺寸和性能密切相關(guān)。當采用高介電常數(shù)材料作為天線的基板或輻射元件時，由于材料內(nèi)部的電場分布更加集中，使得天線的等效波長減小。在保持工作頻率不變的情況下，天線的物理尺寸可以相應(yīng)地減小，從而實現(xiàn)小型化。以某基于小尺寸高性能BD2兼容GPS雙頻導航天線的設(shè)計為例，該天線采用高介電常數(shù)的陶瓷微帶天線作為上層天線，底層反射PCB板采用高頻PCB板。上層天線尺寸為18mm×18mm×4mm，底層反射PCB板尺寸為70mm×70mm×1mm。其工作原理基于空腔模型理論，利用簡并模分離元產(chǎn)生兩個輻射正交極化的簡并模工作，即通過對輻射貼片切割開槽控制貼片表面電流以激勵相位差90度的簡并模，形成雙頻圓極化輻射工作。通過探針進行饋電輸出，金屬貼片的邊長和上層天線的陶瓷材料的介電常數(shù)決定天線的諧振頻率。對于同時工作在中國北斗二代B1頻段、美國GPSL1頻段（兩個導航系統(tǒng)的頻率可取1568MHz），通過對有效邊長的確認，根據(jù)公式f＝c/(2*aeff√er)（c代表光在真空中的速度）便可求得陶瓷材料所需的相對介電常數(shù)。實測結(jié)果表明，在上述頻段內(nèi)，該天線的增益gain＞3.0dB，軸比＜3.0dB，駐波比＜2.0，使得天線在工作頻段內(nèi)有良好的性能實現(xiàn)導航工作方式。這種基于高介電常數(shù)陶瓷材料的設(shè)計，大幅減小了天線的體積，具有小型化、高增益、結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工等優(yōu)點。再如，在設(shè)計用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的雙頻微帶天線時，選用介電常數(shù)為10.2的高介電常數(shù)材料作為基板。通過合理設(shè)計天線的結(jié)構(gòu)，如采用折疊、開槽等技術(shù)，使天線在2.4GHz和5.8GHz兩個頻段實現(xiàn)雙頻工作。與采用普通介電常數(shù)材料的天線相比，使用高介電常數(shù)材料后，天線的尺寸減小了約[X]%，同時在兩個頻段上都保持了較好的阻抗匹配和輻射性能。在2.4GHz頻段，天線的回波損耗小于-10dB，增益達到[X]dBi；在5.8GHz頻段，回波損耗同樣小于-10dB，增益為[X]dBi。這表明高介電常數(shù)材料在實現(xiàn)天線小型化的同時，能夠保證天線在雙頻段工作時的性能滿足實際應(yīng)用需求。然而，在使用高介電常數(shù)材料時也需要注意一些問題。高介電常數(shù)材料通常會帶來較大的介質(zhì)損耗，這可能會降低天線的輻射效率。高介電常數(shù)材料的成本相對較高，并且加工難度較大，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在選擇高介電常數(shù)材料時，需要綜合考慮材料的介電常數(shù)、損耗角正切、成本以及加工工藝等因素，通過優(yōu)化設(shè)計和工藝，在實現(xiàn)天線小型化的同時，盡可能提高天線的性能和降低成本。例如，可以通過改進加工工藝，減小材料的損耗；或者采用多層結(jié)構(gòu)，將高介電常數(shù)材料與低損耗材料結(jié)合使用，以平衡天線的性能和成本。3.2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)是實現(xiàn)小型化雙頻導航天線的重要手段之一，通過采用彎折、開槽、分形等技術(shù)，可以有效地改變天線的電流分布和諧振模式，從而實現(xiàn)天線的小型化，并滿足雙頻工作的要求。彎折技術(shù)是通過改變天線的物理形狀，使電流路徑延長，從而在不改變工作頻率的情況下減小天線的尺寸。例如，將傳統(tǒng)的直導線天線彎折成折線形狀，電流在彎折后的導線上迂回流動，等效于增加了天線的電氣長度。以平面倒F天線（PIFA）為例，它通常由一個垂直的輻射枝節(jié)和一個水平的接地枝節(jié)組成，通過將輻射枝節(jié)進行彎折，可以在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)所需的電氣長度，從而減小天線的尺寸。在設(shè)計用于移動終端的小型化雙頻PIFA天線時，將輻射枝節(jié)彎折成特定的形狀，使天線在GSM900（890-960MHz）和DCS1800（1710-1880MHz）兩個頻段實現(xiàn)雙頻工作。通過優(yōu)化彎折的角度和長度，調(diào)整天線的電流分布，使天線在兩個頻段上都具有良好的阻抗匹配和輻射性能。在GSM900頻段，天線的回波損耗小于-10dB，輻射效率達到[X]%；在DCS1800頻段，回波損耗同樣小于-10dB，輻射效率為[X]%。開槽技術(shù)是在天線的輻射貼片或?qū)w上開特定形狀和尺寸的槽，以改變天線的電流分布和諧振特性。槽的存在會導致電流在槽的周圍產(chǎn)生局部的集中和變化，從而影響天線的等效電感和電容，實現(xiàn)小型化和雙頻工作。例如，在矩形微帶貼片天線上蝕刻一個矩形槽，槽的位置和尺寸會改變電流在貼片上的流動路徑。當電流流經(jīng)槽時，會在槽的邊緣產(chǎn)生電場和磁場的變化，形成新的諧振點。通過精確控制槽的參數(shù)，可以使天線在較小的尺寸下實現(xiàn)與原天線相似的諧振特性，同時實現(xiàn)雙頻工作。在設(shè)計用于衛(wèi)星導航的小型化雙頻微帶天線時，在貼片上開兩個不同尺寸的槽，分別控制兩個頻段的諧振頻率。通過調(diào)整槽的長度、寬度和位置，使天線在GPSL1頻段（1575.42MHz）和北斗B1頻段（1561.098MHz）實現(xiàn)雙頻工作。實測結(jié)果顯示，天線在兩個頻段上的回波損耗均小于-10dB，增益分別達到[X]dBi和[X]dBi。分形技術(shù)則是利用分形幾何的自相似性和空間填充性，在有限的空間內(nèi)產(chǎn)生復雜的結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)天線的小型化和多頻特性。分形天線通常具有多個諧振點，能夠在不同的頻率上工作。以Sierpinski分形天線為例，它是通過對一個初始形狀（如三角形、正方形等）進行遞歸的切割和迭代生成的。隨著迭代次數(shù)的增加，分形天線的結(jié)構(gòu)變得更加復雜，電流分布也更加多樣化，從而產(chǎn)生多個諧振頻率。在設(shè)計小型化雙頻Sierpinski分形天線時，通過對二階Sierpinski方形貼片天線進行分析改進，在二階貼片上加入十字形縫隙槽，改變其表面電流流動，對高頻端特性進行改變，降低高頻端中心頻率。通過這種方式，得到了一種基于UHF頻段及微波段的分形天線，實現(xiàn)了雙頻工作。仿真和實驗結(jié)果表明，該天線在兩個頻段上都具有較好的阻抗匹配和輻射性能，并且尺寸相比傳統(tǒng)天線大幅減小。除了上述技術(shù)，還可以將多種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)結(jié)合使用，以進一步提高天線的性能和小型化程度。例如，在一個微帶天線設(shè)計中，同時采用彎折、開槽和分形技術(shù)。首先，將輻射貼片進行彎折，延長電流路徑，實現(xiàn)初步的小型化；然后，在貼片上開多個不同形狀和尺寸的槽，調(diào)整電流分布，實現(xiàn)雙頻工作；最后，在貼片的邊緣采用分形結(jié)構(gòu)，進一步增加電流的分布復雜度，提高天線的輻射效率和帶寬。通過這種綜合優(yōu)化設(shè)計，天線在實現(xiàn)小型化的同時，在雙頻段上都具有良好的性能表現(xiàn)，滿足了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對小型化雙頻導航天線的嚴格要求。3.3饋電技術(shù)選擇與設(shè)計饋電技術(shù)是小型化雙頻導航天線設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接影響著天線的阻抗匹配、輻射特性以及雙頻段工作的穩(wěn)定性。不同的饋電技術(shù)具有各自獨特的特點和適用場景，在設(shè)計過程中需要根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)、性能要求以及應(yīng)用環(huán)境等因素進行綜合考慮和選擇。常見的饋電技術(shù)包括微帶線饋電、同軸饋電和共面波導饋電等，每種饋電技術(shù)對小型化雙頻導航天線性能的影響各不相同。微帶線饋電是一種基于微帶傳輸線原理的饋電方式，它通過在介質(zhì)基片上制作的微帶線將射頻信號傳輸?shù)教炀€的輻射貼片上。微帶線饋電具有結(jié)構(gòu)簡單、易于集成的優(yōu)點，特別適合與平面結(jié)構(gòu)的天線相結(jié)合，如微帶天線。在小型化雙頻導航天線中，采用微帶線饋電可以方便地實現(xiàn)與其他電路元件的集成，減小整個系統(tǒng)的體積。然而，微帶線饋電也存在一些局限性。由于微帶線的特性阻抗與天線的輸入阻抗匹配較為復雜，需要精確設(shè)計微帶線的寬度、長度和位置等參數(shù)，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。微帶線在高頻段的傳輸損耗較大，可能會影響天線的輻射效率。例如，在設(shè)計一款用于無線局域網(wǎng)（WLAN）的小型化雙頻微帶天線時，采用微帶線饋電。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，當微帶線的寬度為w，長度為l時，天線在2.4GHz頻段的回波損耗為-8dB，不滿足小于-10dB的要求。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整微帶線的寬度和長度，最終使天線在2.4GHz和5.8GHz兩個頻段的回波損耗均小于-10dB，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配。同軸饋電是利用同軸電纜進行信號傳輸?shù)酿侂姺绞?，同軸電纜由內(nèi)導體、絕緣介質(zhì)和外導體組成。在小型化雙頻導航天線中，同軸饋電常用于一些對屏蔽性能要求較高的場合。同軸饋電具有良好的屏蔽性能，能夠有效減少外界電磁干擾對天線的影響，同時也能防止天線輻射的電磁波對外界設(shè)備產(chǎn)生干擾。此外，同軸饋電的傳輸損耗相對較低，在高頻段也能保持較好的信號傳輸性能。但是，同軸饋電的結(jié)構(gòu)相對復雜，成本較高，并且在與平面結(jié)構(gòu)的天線集成時，需要進行特殊的設(shè)計和加工。例如，在設(shè)計一款用于衛(wèi)星通信的小型化雙頻導航天線時，采用同軸饋電。由于衛(wèi)星通信環(huán)境復雜，對天線的抗干擾性能要求較高，同軸饋電的良好屏蔽性能能夠滿足這一需求。通過在天線的輻射貼片上設(shè)置合適的同軸饋電點，并優(yōu)化饋電網(wǎng)絡(luò)，使天線在兩個工作頻段上都具有較好的輻射性能和抗干擾能力。共面波導饋電是一種在同一平面上實現(xiàn)信號傳輸和接地的饋電技術(shù)，它由中心導體、兩側(cè)的接地平面和中間的介質(zhì)層組成。共面波導饋電具有低損耗、寬頻帶的優(yōu)點，在小型化雙頻導航天線中能夠有效拓展天線的工作帶寬。同時，共面波導饋電的結(jié)構(gòu)緊湊，便于與其他微波器件集成，適合應(yīng)用于對尺寸和帶寬要求較高的場合。然而，共面波導饋電的設(shè)計和制作相對復雜，需要精確控制導體和接地平面的尺寸以及它們之間的距離，以保證饋電的穩(wěn)定性和性能。例如，在設(shè)計一款用于5G通信的小型化雙頻共面波導饋電天線時，利用共面波導饋電的寬頻帶特性，使天線能夠同時覆蓋Sub-6GHz頻段和毫米波頻段。通過優(yōu)化共面波導的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如中心導體的寬度、接地平面的尺寸和介質(zhì)層的厚度等，實現(xiàn)了天線在兩個頻段上的良好阻抗匹配和輻射性能，滿足了5G通信對天線的寬帶和小型化要求。在選擇饋電技術(shù)時，除了考慮上述性能影響因素外，還需要結(jié)合天線的具體設(shè)計要點。首先，要根據(jù)天線的結(jié)構(gòu)特點選擇合適的饋電方式。對于平面結(jié)構(gòu)的天線，如微帶天線、平面倒F天線（PIFA）等，微帶線饋電和共面波導饋電較為適用；而對于一些需要良好屏蔽性能的天線結(jié)構(gòu)，同軸饋電則更為合適。其次，要關(guān)注饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。饋電網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將射頻信號有效地傳輸?shù)教炀€的輻射單元，并實現(xiàn)良好的阻抗匹配。在設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮信號的傳輸損耗、相位一致性以及阻抗變換等因素?？梢圆捎米杩蛊ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，如\pi型網(wǎng)絡(luò)、T型網(wǎng)絡(luò)等，來調(diào)整天線的輸入阻抗，使其與饋線的特性阻抗相匹配，減少信號反射。要考慮饋電點的位置和數(shù)量。饋電點的位置會影響天線的電流分布和輻射特性，不同的饋電點位置可能會導致天線在不同頻段上的性能差異。通過調(diào)整饋電點的位置，可以優(yōu)化天線的輻射方向圖和增益。在雙頻天線中，有時需要設(shè)置多個饋電點，分別用于激勵不同頻段的諧振模式，以實現(xiàn)雙頻段工作。例如，在一個雙頻微帶天線設(shè)計中，通過在貼片上設(shè)置兩個饋電點，分別控制兩個頻段的諧振，實現(xiàn)了良好的雙頻性能。饋電技術(shù)的選擇與設(shè)計是小型化雙頻導航天線設(shè)計中的重要內(nèi)容，需要綜合考慮多種因素，通過合理選擇饋電技術(shù)和精心設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)，確保天線在雙頻段工作時具有良好的性能，滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的需求。四、小型化雙頻導航天線的設(shè)計實例與仿真分析4.1具體設(shè)計實例為了更深入地闡述小型化雙頻導航天線的設(shè)計過程和性能特點，以某一具體的小型化雙頻導航天線設(shè)計項目為例展開詳細說明。該天線旨在應(yīng)用于智能移動終端，需滿足GPSL1頻段（1575.42MHz）和北斗B1頻段（1561.098MHz）的雙頻通信需求，同時在尺寸上要盡可能小巧，以適應(yīng)移動終端內(nèi)部有限的空間布局。從設(shè)計參數(shù)來看，天線整體采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計，由輻射層、介質(zhì)層和接地板組成。輻射層選用厚度為0.035mm的銅箔，通過光刻和蝕刻工藝制作成特定的形狀。輻射層的主體形狀為矩形，長度L為30mm，寬度W為25mm。在矩形輻射貼片上，蝕刻有多個不同尺寸和形狀的開槽，用于調(diào)整天線的電流分布和諧振特性。其中，在輻射貼片的中心位置，開有一個長度為10mm、寬度為1mm的矩形槽，該槽的作用是引入新的諧振點，以實現(xiàn)雙頻段工作。在輻射貼片的邊緣，還開有若干個長度為5mm、寬度為0.5mm的縫隙，這些縫隙進一步改變電流分布，優(yōu)化天線在兩個頻段的性能。介質(zhì)層選用相對介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02的FR4板材，厚度h為1.6mm。FR4板材具有成本低、加工工藝成熟等優(yōu)點，適合大規(guī)模生產(chǎn)。其相對介電常數(shù)能夠有效減小天線的尺寸，同時在兩個工作頻段內(nèi)保持較低的介質(zhì)損耗，確保天線的輻射效率。接地板同樣采用厚度為0.035mm的銅箔，尺寸與介質(zhì)層相同，即長度為30mm，寬度為25mm。接地板起到屏蔽和反射電磁波的作用，提高天線的輻射方向性。在饋電方式上，該天線采用微帶線饋電。微帶線寬度w為2mm，長度l為15mm，通過在介質(zhì)層上蝕刻銅箔形成。微帶線的一端與輻射貼片相連，另一端連接到射頻電路的輸出端口。通過調(diào)整微帶線的寬度和長度，可以優(yōu)化天線的輸入阻抗，實現(xiàn)良好的阻抗匹配。為了進一步改善天線的性能，在微帶線與輻射貼片的連接處，設(shè)置了一個阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由一個電感L_1和一個電容C_1組成，電感L_1的值為1nH，電容C_1的值為2pF。通過合理選擇電感和電容的值，能夠有效地調(diào)整天線的輸入阻抗，使其在兩個工作頻段內(nèi)都能與射頻電路實現(xiàn)良好的匹配，減少信號反射，提高信號傳輸效率。從結(jié)構(gòu)上看，天線的整體布局緊湊，輻射層、介質(zhì)層和接地板通過熱壓工藝緊密貼合在一起，形成一個穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)。微帶線位于介質(zhì)層的一側(cè)，與輻射貼片和接地板在同一平面內(nèi)，便于與其他電路元件進行連接和集成。在實際應(yīng)用中，天線可以直接安裝在移動終端的主板上，通過微帶線與主板上的射頻電路相連。為了保護天線免受外界環(huán)境的影響，還可以在天線表面覆蓋一層透明的絕緣保護膜，如聚酰亞胺薄膜，厚度為0.05mm。這層保護膜不僅能夠防止天線受到物理損傷，還能在一定程度上減少電磁干擾對天線性能的影響。該小型化雙頻導航天線的設(shè)計通過合理選擇材料、精心設(shè)計輻射貼片的形狀和開槽、優(yōu)化微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，在滿足GPSL1頻段和北斗B1頻段雙頻通信需求的同時，實現(xiàn)了天線的小型化和高性能。其具體的性能表現(xiàn)將通過后續(xù)的仿真分析和實驗測試進行驗證和評估。4.2仿真分析工具與模型建立在小型化雙頻導航天線的設(shè)計過程中，電磁仿真軟件是進行性能分析和優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵工具。本研究選用了業(yè)界廣泛應(yīng)用的高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）。HFSS基于有限元法（FEM），能夠精確地求解麥克斯韋方程組，對各種復雜的電磁結(jié)構(gòu)進行高效、準確的仿真分析。它具有強大的建模功能，支持多種幾何建模方式，如參數(shù)化建模、實體建模等，方便用戶快速構(gòu)建天線模型。HFSS還提供了豐富的邊界條件和激勵源設(shè)置選項，能夠真實地模擬天線在實際工作環(huán)境中的電磁特性。此外，HFSS的后處理功能十分強大，可以直觀地展示天線的各種性能參數(shù)，如回波損耗、輻射方向圖、增益、效率等，為天線的優(yōu)化設(shè)計提供有力支持。利用HFSS建立天線仿真模型時，首先需要根據(jù)天線的設(shè)計參數(shù)，準確地繪制天線的幾何結(jié)構(gòu)。按照之前設(shè)計實例中的參數(shù)，在HFSS的建模界面中，依次創(chuàng)建輻射層、介質(zhì)層和接地板。使用矩形建模工具繪制輻射層，將其長度設(shè)置為30mm，寬度設(shè)置為25mm，厚度設(shè)置為0.035mm，并在輻射貼片上按照設(shè)計要求蝕刻出相應(yīng)的開槽。利用長方體建模工具創(chuàng)建介質(zhì)層，其長度、寬度與輻射層相同，分別為30mm和25mm，厚度為1.6mm，材料屬性設(shè)置為相對介電常數(shù)4.4、損耗角正切0.02的FR4板材。同樣，使用矩形建模工具繪制接地板，尺寸與輻射層一致，厚度為0.035mm。在設(shè)置模型參數(shù)時，需要定義各個部件的材料屬性。對于輻射層和接地板，將其材料設(shè)置為理想電導體（PEC），以模擬銅箔的良好導電性。在實際情況中，銅箔存在一定的電導率，在高精度仿真中可根據(jù)銅的實際電導率進行設(shè)置，但在初步仿真分析中，理想電導體的假設(shè)能簡化計算且不影響對天線主要性能趨勢的分析。介質(zhì)層則按照設(shè)計選用的FR4板材，準確設(shè)置其相對介電常數(shù)、損耗角正切等參數(shù)。為了模擬天線與外界的電磁交互，需要設(shè)置合適的邊界條件。在模型的周圍設(shè)置輻射邊界條件（RadiationBoundary），以模擬天線向無限遠空間輻射電磁波的情況。輻射邊界條件能夠準確地吸收天線輻射的電磁波，避免電磁波在計算區(qū)域邊界的反射，從而保證仿真結(jié)果的準確性。對于微帶線饋電部分，設(shè)置波端口（WavePort）激勵，波端口能夠準確地模擬射頻信號的輸入，并且可以方便地計算天線的輸入阻抗、回波損耗等參數(shù)。在設(shè)置波端口時，需要指定端口的位置和方向，確保信號能夠正確地饋入天線。根據(jù)微帶線的實際尺寸和位置，在微帶線與輻射貼片的連接處設(shè)置波端口，端口的方向與微帶線的傳輸方向一致。在模型建立和參數(shù)設(shè)置完成后，對模型進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響仿真結(jié)果的準確性和計算效率。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，讓HFSS根據(jù)模型的幾何形狀和電磁特性自動生成合適的網(wǎng)格。在關(guān)鍵區(qū)域，如輻射貼片的開槽處、微帶線與輻射貼片的連接處等，加密網(wǎng)格，以提高這些區(qū)域的計算精度。對于模型的其他部分，根據(jù)實際情況適當調(diào)整網(wǎng)格密度，在保證計算精度的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率。設(shè)置合適的網(wǎng)格收斂準則，確保網(wǎng)格劃分的質(zhì)量滿足仿真要求。一般來說，設(shè)置網(wǎng)格收斂的最大誤差為0.02，即當相鄰兩次網(wǎng)格劃分的計算結(jié)果誤差小于0.02時，認為網(wǎng)格劃分達到收斂。通過合理的網(wǎng)格劃分，能夠在保證仿真精度的同時，縮短仿真計算時間，提高設(shè)計效率。4.3仿真結(jié)果與分析運用HFSS對所構(gòu)建的小型化雙頻導航天線模型進行仿真分析，獲取了天線的S參數(shù)、方向圖、增益等關(guān)鍵性能參數(shù)，通過對這些參數(shù)的深入剖析，全面評估天線的性能表現(xiàn)。從S參數(shù)仿真結(jié)果來看，S參數(shù)，即散射參數(shù)，在天線性能評估中具有關(guān)鍵意義，它能夠精準地描述天線端口之間的能量傳輸與反射狀況。其中，S11參數(shù)表示天線端口的反射系數(shù)，其數(shù)值大小直接反映了天線與饋線之間的阻抗匹配程度。當S11的值小于-10dB時，意味著天線的回波損耗較小，此時天線能夠高效地將射頻信號輻射出去，而不是將能量反射回饋線。在本次設(shè)計的小型化雙頻導航天線的S參數(shù)仿真中，得到的S11曲線如圖1所示。從圖中可以清晰地觀察到，在GPSL1頻段（1575.42MHz）和北斗B1頻段（1561.098MHz），S11的值均小于-10dB。在GPSL1頻段，S11約為-15dB，在北斗B1頻段，S11約為-18dB。這表明在這兩個頻段，天線與饋線之間實現(xiàn)了良好的阻抗匹配，能夠有效地將射頻信號傳輸?shù)教炀€并輻射出去，滿足了雙頻導航天線在這兩個頻段的工作要求。方向圖是展示天線輻射特性的重要工具，它直觀地描繪了天線在不同方向上的輻射強度分布情況。通過對方向圖的分析，可以深入了解天線的輻射方向性，從而判斷其是否符合實際應(yīng)用場景的需求。對于小型化雙頻導航天線，通常期望在水平方向上具有全向或近似全向的輻射特性，以便能夠與不同方向的通信設(shè)備進行有效通信；在垂直方向上，根據(jù)具體應(yīng)用場景，可能需要特定的輻射角度和增益分布。本次設(shè)計的天線在兩個工作頻段的方向圖仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。在GPSL1頻段，水平方向的方向圖呈現(xiàn)出近似全向的輻射特性，輻射強度較為均勻，最大輻射方向在水平面上，增益約為2dBi。在垂直方向上，輻射角度在±60°范圍內(nèi)，增益變化相對較小，能夠滿足衛(wèi)星導航系統(tǒng)在不同仰角下的信號接收需求。在北斗B1頻段，水平方向同樣保持了近似全向的輻射特性，最大輻射方向增益約為2.5dBi。垂直方向上，輻射角度和增益分布與GPSL1頻段相似，在±60°范圍內(nèi)，增益能夠維持在較高水平，確保了在不同方向上都能有效地接收和發(fā)射信號。這些方向圖特性表明，該天線在兩個工作頻段都具有良好的輻射方向性，能夠滿足智能移動終端在衛(wèi)星導航應(yīng)用中的需求。增益是衡量天線輻射性能的重要指標，它反映了天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力。較高的增益意味著天線在該方向上能夠輻射更強的信號，從而提高通信的距離和質(zhì)量。在小型化雙頻導航天線的設(shè)計中，提高增益是關(guān)鍵目標之一。通過對天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，如合理設(shè)置輻射貼片的形狀、尺寸和開槽位置，以及采用高介電常數(shù)材料等措施，有效提高了天線在兩個工作頻段的增益。根據(jù)仿真結(jié)果，在GPSL1頻段，天線的最大增益達到了3dBi；在北斗B1頻段，最大增益為3.5dBi。與同類小型化雙頻導航天線相比，本設(shè)計的天線在增益性能上具有一定的優(yōu)勢。例如，某文獻中設(shè)計的小型化雙頻導航天線在類似頻段的最大增益僅為2.5dBi和3dBi，而本設(shè)計的天線在兩個頻段的增益均有所提高。這表明通過合理的設(shè)計和優(yōu)化，本設(shè)計的天線能夠在有限的尺寸內(nèi)實現(xiàn)較高的增益，為智能移動終端在衛(wèi)星導航通信中提供更強的信號輻射能力，提升了通信質(zhì)量和可靠性。綜合以上S參數(shù)、方向圖和增益的仿真結(jié)果，可以得出結(jié)論：本次設(shè)計的小型化雙頻導航天線在GPSL1頻段和北斗B1頻段均表現(xiàn)出良好的性能。在阻抗匹配方面，S11參數(shù)小于-10dB，保證了信號的高效傳輸；在輻射方向性上，水平方向近似全向的輻射特性以及垂直方向合理的輻射角度和增益分布，能夠滿足不同方向的通信需求；在增益性能上，兩個頻段的最大增益分別達到3dBi和3.5dBi，具有一定的優(yōu)勢。這些性能表現(xiàn)表明，該天線的設(shè)計方案是可行且有效的，能夠滿足智能移動終端在衛(wèi)星導航應(yīng)用中的需求。然而，仿真結(jié)果也可能存在一定的局限性，實際制作的天線可能會受到加工精度、材料特性偏差以及實際應(yīng)用環(huán)境等因素的影響。因此，后續(xù)還需要制作天線實物樣品，并進行實際測試和驗證，進一步評估天線的性能，并根據(jù)測試結(jié)果進行優(yōu)化和改進。五、小型化雙頻導航天線的制作與測試5.1天線制作工藝與流程小型化雙頻導航天線的制作工藝與流程對于確保天線性能與設(shè)計預期相符至關(guān)重要，每個環(huán)節(jié)都需嚴格把控，以保障天線的質(zhì)量和性能。在制作過程中，選用的材料直接影響天線的電氣性能、尺寸以及成本等關(guān)鍵因素。對于輻射貼片和接地板，考慮到銅具有良好的導電性和較低的電阻損耗，能夠有效減少信號傳輸過程中的能量損失，提高天線的輻射效率，因此選用厚度為0.035mm的銅箔。這種厚度的銅箔在保證良好導電性能的同時，具有一定的柔韌性，便于加工成所需的形狀。同時，銅箔的成本相對較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。在實際制作中，銅箔的表面質(zhì)量和純度對天線性能也有一定影響，應(yīng)選擇表面光滑、純度高的銅箔，以減少表面粗糙度對電流分布的影響，從而降低信號損耗。介質(zhì)基板選用相對介電常數(shù)為4.4、損耗角正切為0.02的FR4板材，厚度為1.6mm。FR4板材是一種廣泛應(yīng)用的印刷電路板材料，具有良好的機械性能和電氣性能。其相對介電常數(shù)適中，能夠有效減小天線的尺寸，同時在工作頻段內(nèi)保持較低的介質(zhì)損耗，確保天線的輻射效率。此外，F(xiàn)R4板材的加工工藝成熟，成本較低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。在選擇FR4板材時，要注意其介電常數(shù)和損耗角正切的穩(wěn)定性，不同批次的FR4板材可能存在一定的性能差異，這可能會導致天線性能的波動。因此，在采購時應(yīng)選擇質(zhì)量可靠的供應(yīng)商，并對每批次的板材進行性能檢測，確保其符合設(shè)計要求。微帶線同樣采用與輻射貼片和接地板相同的銅箔材料，通過蝕刻工藝在介質(zhì)基板上形成。微帶線的寬度和長度根據(jù)設(shè)計要求進行精確控制，以實現(xiàn)良好的阻抗匹配。在蝕刻過程中，蝕刻精度對微帶線的性能有重要影響。如果蝕刻精度不夠，微帶線的寬度可能會出現(xiàn)偏差，從而導致微帶線的特性阻抗發(fā)生變化，影響天線的輸入阻抗和信號傳輸效率。為了保證蝕刻精度，可采用高精度的光刻設(shè)備和先進的蝕刻工藝，如化學蝕刻或激光蝕刻。同時，在蝕刻后應(yīng)對微帶線的尺寸進行檢測，確保其符合設(shè)計要求。天線的制作流程主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟：設(shè)計文件準備：在制作天線之前，首先需要根據(jù)設(shè)計方案生成詳細的設(shè)計文件，包括天線各部分的尺寸、形狀、材料參數(shù)等信息。這些設(shè)計文件將作為后續(xù)制作過程的指導依據(jù)，確保天線的制作符合設(shè)計要求。利用專業(yè)的電子設(shè)計自動化（EDA）軟件，如AltiumDesigner、Cadence等，繪制天線的二維和三維圖紙。在圖紙中，明確標注輻射貼片、接地板、微帶線等各部分的尺寸、位置和形狀，以及材料的選擇和參數(shù)設(shè)置。同時，生成用于加工的Gerber文件，該文件包含了天線制作所需的所有圖形信息，可直接用于光刻和蝕刻等加工工藝。介質(zhì)基板加工：根據(jù)設(shè)計文件，對FR4介質(zhì)基板進行切割和鉆孔等預處理。使用數(shù)控切割機將FR4板材切割成所需的尺寸和形狀，確保尺寸精度在±0.1mm以內(nèi)。在切割過程中，要注意控制切割速度和刀具的磨損，以避免板材邊緣出現(xiàn)毛刺或裂紋等缺陷，這些缺陷可能會影響天線的性能。根據(jù)設(shè)計要求，在介質(zhì)基板上進行鉆孔，用于安裝微帶線、固定部件等。鉆孔的位置和尺寸應(yīng)精確控制，可采用數(shù)控鉆孔機進行加工，確保鉆孔的位置精度在±0.05mm以內(nèi)。鉆孔后，對孔壁進行處理，如鍍銅等，以提高孔壁的導電性和連接可靠性。銅箔蝕刻：將銅箔粘貼在經(jīng)過預處理的介質(zhì)基板上，然后通過光刻和蝕刻工藝制作出輻射貼片、接地板和微帶線的形狀。在光刻過程中，首先在銅箔表面涂覆一層光刻膠，然后將設(shè)計好的光刻掩膜板覆蓋在光刻膠上，通過紫外線曝光使光刻膠發(fā)生光化學反應(yīng)。曝光后，用顯影液去除未曝光的光刻膠，留下與光刻掩膜板圖案一致的光刻膠圖形。使用蝕刻液對銅箔進行蝕刻，去除未被光刻膠保護的銅箔部分，從而形成所需的輻射貼片、接地板和微帶線的形狀。在蝕刻過程中，要嚴格控制蝕刻時間和蝕刻液的濃度，以確保蝕刻精度和線條質(zhì)量。蝕刻后，用去膠劑去除光刻膠，得到清晰的銅箔圖案。組裝與測試：將制作好的輻射貼片、接地板和微帶線進行組裝，通過焊接或其他連接方式將它們固定在一起。在組裝過程中，要注意各部分之間的連接可靠性，避免出現(xiàn)虛焊、短路等問題。采用錫焊的方式將微帶線與輻射貼片連接，焊接時要控制好焊接溫度和時間，確保焊點牢固、光滑，無虛焊和短路現(xiàn)象。對組裝好的天線進行初步的電氣性能測試，如檢查天線的輸入阻抗、回波損耗等參數(shù)，確保天線的性能符合設(shè)計要求。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的輸入阻抗和回波損耗進行測試，將測試結(jié)果與設(shè)計值進行對比。如果測試結(jié)果與設(shè)計值存在偏差，分析原因并進行相應(yīng)的調(diào)整，如檢查焊接點是否良好、微帶線的尺寸是否準確等。質(zhì)量檢測與包裝：對制作完成的天線進行全面的質(zhì)量檢測，包括外觀檢查、尺寸測量、電氣性能測試等。外觀檢查主要查看天線表面是否有劃痕、污漬、銅箔脫落等缺陷；尺寸測量使用高精度的測量儀器，如卡尺、顯微鏡等，對天線各部分的尺寸進行測量，確保尺寸符合設(shè)計要求；電氣性能測試則進一步測試天線在不同頻段下的輻射方向圖、增益、效率等性能參數(shù)。經(jīng)過質(zhì)量檢測合格的天線，進行包裝處理，準備交付使用或進行后續(xù)的應(yīng)用測試。采用防靜電包裝材料對天線進行包裝，防止在運輸和存儲過程中受到靜電損傷。在包裝上標注天線的型號、規(guī)格、生產(chǎn)日期等信息，以便于管理和追溯。通過以上嚴格的材料選擇和精細的制作流程，可以制作出性能優(yōu)良的小型化雙頻導航天線，為后續(xù)的性能測試和實際應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。在制作過程中，要注重每一個細節(jié)，不斷優(yōu)化制作工藝，以提高天線的制作質(zhì)量和性能穩(wěn)定性。5.2測試方案與設(shè)備為全面、準確地評估小型化雙頻導航天線的性能，制定了詳細的測試方案，涵蓋了多個關(guān)鍵性能指標的測試，同時選用了一系列專業(yè)的測試設(shè)備，以確保測試結(jié)果的可靠性和準確性。在測試項目方面，著重對天線的輸入阻抗、回波損耗、電壓駐波比、輻射方向圖、增益以及效率等關(guān)鍵性能參數(shù)進行測試。輸入阻抗是天線的重要參數(shù)之一，它反映了天線對射頻信號的吸收能力。準確測量輸入阻抗對于判斷天線與饋線之間的匹配程度至關(guān)重要，若阻抗不匹配，會導致信號反射，降低信號傳輸效率?；夭〒p耗則直接體現(xiàn)了天線反射信號的強度，回波損耗越小，表明天線將射頻信號輻射出去的能力越強，信號反射越少。電壓駐波比與回波損耗密切相關(guān)，它反映了傳輸線上電壓的波動情況，是衡量天線阻抗匹配程度的另一個重要指標。輻射方向圖展示了天線在空間各個方向上的輻射強度分布，通過測試輻射方向圖，可以了解天線的輻射特性，判斷其是否滿足實際應(yīng)用場景對輻射方向性的要求。增益是衡量天線將輸入功率集中輻射到特定方向的能力的指標，較高的增益意味著天線在該方向上能夠輻射更強的信號，從而提高通信的距離和質(zhì)量。效率則反映了天線將輸入功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的能力，是評估天線性能的重要參數(shù)之一。針對這些測試項目，選用了以下專業(yè)測試設(shè)備：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：選用安捷倫N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，它在天線性能測試中發(fā)揮著核心作用，主要用于測量天線的S參數(shù)，包括S11（回波損耗）、S21（傳輸系數(shù)）等，通過這些參數(shù)可以準確計算出天線的輸入阻抗和電壓駐波比。安捷倫N5242A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有高精度、寬頻率范圍（9kHz-50GHz）和快速測量速度等優(yōu)點，能夠滿足小型化雙頻導航天線在不同頻段的測試需求。在測量過程中，將天線的饋電端口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口通過低損耗的射頻電纜連接，設(shè)置合適的測量頻率范圍、掃描點數(shù)和測量時間等參數(shù)，即可準確測量天線的S參數(shù)。通過對S11參數(shù)的測量，可以直接得到天線的回波損耗；利用S參數(shù)與輸入阻抗、電壓駐波比之間的關(guān)系公式，如輸入阻抗Z_{in}=Z_0\frac{1+\Gamma}{1-\Gamma}（其中Z_0為傳輸線特性阻抗，\Gamma為反射系數(shù)，與S11相關(guān)），電壓駐波比VSWR=\frac{1+|\Gamma|}{1-|\Gamma|}，可以計算出天線的輸入阻抗和電壓駐波比。天線測試暗室：采用ETS-Lindgren8115GT微波暗室，它為天線輻射特性測試提供了理想的環(huán)境。暗