北斗高精度測量型天線的研究

吳多龍 周梓發(fā) 李 瑞 鮑志雄

（1.廣東工業(yè)大學物理與光電工程學院，廣東 廣州 510006；2.廣州市中海達測繪儀器有限公司，廣東 廣州 511400）

1.引 言

利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行高精度測量在測繪領域具有廣泛的應用，但是對天線的性能提出了更高的要求。文獻［1］指出了影響測量型天線精度的主要因素之一是天線的相位中心穩(wěn)定性，硬件解決方法是研制電氣相位中心偏差為零的天線。文獻［2］應用四點均勻饋電技術，改善了相位方向圖的軸向對稱性，確保了相位中心的穩(wěn)定。文獻［3］［4］利用四個L型探針進行饋電，不僅可以展寬微帶天線的阻抗帶寬，而且在寬角度內展寬了軸比（AR≤3dB）帶寬。文獻［5］應用4個帶帽的容性探針進行饋電，實驗表明阻抗和軸比帶寬都得到了展寬。利用多點饋電技術可以有效地展寬天線的軸比和阻抗帶寬，改善天線方向圖的軸向對稱性，提高天線的相位中心穩(wěn)定度。

CNSS是中國自主開發(fā)的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可向用戶提供全天候、高精度即時定位服務，定位精度與GPS相當。目前，國內關于北斗高精度測量型天線的研究甚少。因此，文中設計了一種高精度測量型天線，可以同時工作在北斗衛(wèi)星二號系統(tǒng)的兩個頻段（B1：1561MHz，B2：1207MHz），并且通過多點均勻饋電技術實現了良好的右旋圓極化特性，同時確保了相位中心的穩(wěn)定，對RTK固定解進行測試偏差在±3cm以內。該天線可以廣泛應用于地震測量、公路鐵路測量、港口建設規(guī)劃、航行標志定位設置等。

2.理論分析

2.1 天線分析

文獻［6］分析了單饋點實現圓極化和微帶天線小型化的新途徑，文獻［7］給出了CAD公式分析貼片切角工作原理，文獻［8］利用FDTD算法對有源集成天線的模擬和設計，實驗表明此方法的有效性，文獻［9］詳細分析了多饋點實現圓極化的原理。因此，綜合天線性能和設計難度，文中采用正方形貼片形式，設計了一種有源天線，該天線由輻射單元和低噪聲放大器組成。其中，輻射單元由兩層疊加而成分別對應于兩個頻段的接收，饋電方式采用背饋。四個帶帽容性探針穿過底層貼片過孔，對上層貼片B1頻段進行饋電，另四個帶帽容性探針對底層貼片B2頻段進行饋電。通過在兩貼片的中心加一短路針來縮減天線的尺寸，短路針和同軸探針之間形成強耦合等效于加載一個電容，使得天線在低于諧振頻率位置達到阻抗匹配，從而縮減天線的尺寸。右旋圓極化通過饋電網絡來實現，饋電點信號相位按照順時針依次相差90°.這種多點均勻饋電技術確保了天線單元在工作頻帶內具有良好的阻抗帶寬及軸比特性，同時相位中心更加穩(wěn)定，天線的結構如圖1、2所示。

天線由兩層組成，上層為B1頻段由3部分組成，從上至下依次是：輻射貼片，介質基板（基板材料相對介電常數為εr，厚度為h1），金屬接地板。下層為B2頻段同樣也由3部分組成分別是：輻射貼片，介質基板（基板材料相對介電常數為εr，厚度為h2），金屬接地板，兩層之間通過螺釘安裝。

2.2 天線設計

根據微帶天線理論［10］，當εr及hi（i＝1、2）已知時，天線的寬度W影響著微帶天線的輻射方向性，輻射電阻及輸入阻抗，也就影響著頻帶寬度和輻射效率。另外，W的尺寸直接支配著微帶天線的總尺寸。在安裝尺寸允許的條件下W選取適當的大小對頻帶，效率及阻抗匹配都是有利的，但是當W尺寸大于下式給出的值時將產生高次模。

式中：c為光速；fr是諧振頻率。

根據理論計算，結合CST的仿真優(yōu)化得出最終的天線尺寸，結構如圖3所示。圖3（a）是B1頻段的輻射貼片結構，在貼片的各邊加載了三條短截線。圖3（b）是B2頻段的輻射貼片結構，在貼片各邊加載了五條短截線和切角來調諧天線的諧振頻率，此方法使輻射電極呈分形排列，等效長度增大達到縮減天線尺寸目的。

輻射貼片是利用正方形設計的，w為貼片寬度，s為基板寬度，h為基板厚度，l和t分別為短截線的寬和長，q為貼片的切角垂直長度，d為饋電點距離中心的位置，εr為相對介電常數。帶帽容性探針1、2、3、4是B1頻段的饋電點，提供四個等幅、正交、相位依次順時針相差90°的信號，其相位分別為0°、90°、180°、270°以確保天線接收圓極化波和相位中心的穩(wěn)定，帶帽容性探針5、6、7、8是B2頻段的天線饋點。天線的具體尺寸值如表1所示。

表1 上下層輻射單元的尺寸（單位／mm）

2.3 移相網絡設計

微波有源放大電路直接影響著接收信號的信噪比，要求其噪聲系數小、增益高和動態(tài)范圍大。由于正方形微帶天線和帶帽容性探針的特性阻抗均是50Ω，為了實現放大器最佳噪聲系數和高增益，必須設計輸入和輸出匹配網絡。北斗衛(wèi)星工作頻率為L波段，應采用微波混合集成電路技術。根據接收機增益和噪聲性能的要求，可以采用兩級放大的電路形式。為使從輻射貼片接收到的多路信號耦合成一路信號最終由一個SMB接口輸入到接收機，其移相網絡的設計是關鍵。B1頻段的四個饋點信號由兩個3 dB電橋耦合成兩路信號，經微帶線1與微帶線2傳輸到3dB電橋3耦合成一路信號，其中微帶線2比微帶線1長1／4λ，其中λ是波長，如圖4所示。

3.數值仿真與實測結果

采用電磁仿真軟件CST對天線進行數值計算，圖5給出了天線的仿真和實測參數結果。從圖5看出，仿真和實測結果在諧振頻率符合得較好，兩頻段電壓駐波比（VSWR＜1.2）符合實際應用要求。但是由于天線加工工藝和實際測量環(huán)境影響下，仿真和實測結果存在著偏差。圖6給出了1561MHz和1207MHz實測與仿真方向圖對照，實線表示實測結果，虛線表示仿真結果，實測與仿真吻合得較好。

根據仿真天線的尺寸，設計加工了一個實物天線。把實物天線與低噪聲放大器組裝成有源天線。對RTK固定解進行了測試水平面X－Y坐標下偏差在±3cm以內，垂直高度H坐標下偏差也在±3 cm以內，滿足實際高精度測量的應用，其測試結果如圖7、8所示，圖9為天線實物圖照片。

4.結 論

根據我國北斗衛(wèi)星二號系統(tǒng)的兩個頻段，設計了一種高精度測量型天線。此天線的駐波比和軸比都比單饋電點的天線優(yōu)良，而且八個饋電點使得天線具有相當高的相位中心穩(wěn)定度，大大提高了天線的測量精度。通過有源放大網絡的設計使天線增益得到了放大，同時信噪比得到了改善，此種天線滿足實際測量需要的精度和要求。

［1］孟領坡，吳 杰.北斗天線電氣相位中心偏差檢驗試驗研究［J］.測繪學報，2008，37（3）：374－379.

MENG Lingpo，WU Jie.Research on the Experiment for Calibrating of Beidou Antenna Phase Center Bias［J］.Acta Geodaetica et Cartogaraphica Sinica.2008，37（3）：374－379.（in Chinese）

［2］楊 眉，李全明.一種相位中心穩(wěn)定的微帶天線設計［J］.電子測量技術，2006，29（5）：231－214.

YANG Mei，LI Quangming.Design of microstrip antenna with stable phse center［J］.Electronic Measurement Technology.2006，29（5）：231－214.（in Chinese）

［3］LAU K L，LUK K M.A wideband circularly polarized conical－beam patch antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2006.54（5）：1591－1594.

［4］BIAN Lei，GUO Yongxin，ONG L C.Wideband circularly－polarized patch antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2006，54（9）：2682－2686.

［5］胡明春，杜小輝，李建新.寬帶寬角圓極化貼天線的實驗研究［J］.電子學報，2002，30（12）：1－3.

HU Mingchun，DU Xiaohui，LI Jianxin.Experimental study of broad－band and wide－angle circularly polarized patch antennas［J］.Acta Electronica Sinica，2002，30（12）：1－3.（in Chinese）

［6］董玉良，鄭會利，張士選.單饋電雙模方形微帶天線及圓極化實現［J］.電波科學學報，2002，17（2）：179－181.

DONG Yuliang，ZHENG Huili，ZHANG Shixuan.Single－feed dual－mode square microstrip antenna and realization of circular polarization［J］.Chinese Journal of Radio Science.2002，17（2）：179－181.（in Chinese）

［7］孫煜炫，周 雍，方大綱.CAD公式分析切角貼片－雙模濾波器和圓極化天線［J］.電波科學學報，2002，17（6）：558－561.

SUN Yuxuan，ZHOU Yong，FANG Dagang.CAD Formula for patches with corner cut－dual mode filter and CP Microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science 2002，17（6）：558－561.（in Chinese）

［8］艾寶強，褚慶昕，雷振亞.基于FDTD算法的有源集成天線設計［J］.電波科學學報，2005，19（6）：739－741.

AI Baoqiang CHU Qingxin，LEI Zhenya.Design of active integrated antenna based on FDTD method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，19（6）：739－741.（in Chinese）

［9］HALL P S，DAHELE J S，JAMES J R，et al.Design principles of sequentially fed wide bandwidth circularly polarised microstrip antennas［J］.Microwaves，Antennas and Propagation，IEEE Proceedings H，1989，136（5）：381－389.

［10］林昌祿.天線工程手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002：466－467.