北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車(chē)載天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

張 冬 楊 揚(yáng)

（南昌理工學(xué)院 江西南昌 330044）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車(chē)載天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

張 冬 楊 揚(yáng)

（南昌理工學(xué)院 江西南昌 330044）

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但與GPS系統(tǒng)相比，北斗的衛(wèi)星軌道比較特殊，而且在軌衛(wèi)星的數(shù)目較少，因此對(duì)天線(xiàn)的要求比較高，特別是車(chē)載天線(xiàn)是固定在一個(gè)位置上安裝的，不可能通過(guò)調(diào)整旋轉(zhuǎn)天線(xiàn)來(lái)找對(duì)一個(gè)方向，使其最大增益方向?qū)?zhǔn)導(dǎo)航衛(wèi)星來(lái)接受收信號(hào)，因此北斗系統(tǒng)在車(chē)載導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用還不具有優(yōu)勢(shì)。我們計(jì)劃設(shè)計(jì)一種新型圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)和仰角低的特點(diǎn)，更好的滿(mǎn)足北斗衛(wèi)星車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。

斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 車(chē)載天線(xiàn) 圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)和方案論證

掌握車(chē)載天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)是十分必要的，按照轉(zhuǎn)軸的不同數(shù)目，天線(xiàn)座一共可分為五種：分別為單軸天線(xiàn)座、兩軸天線(xiàn)座、三軸天線(xiàn)座、四軸天線(xiàn)座和固定不動(dòng)的天線(xiàn)座。其中，單軸天線(xiàn)座用途廣泛，尤其在用戶(hù)搜索以及引導(dǎo)雷達(dá)方面用途顯著；兩軸在波束窄的圓拋物面天線(xiàn)優(yōu)勢(shì)較為突出。用于地面的一般用單軸和兩軸，車(chē)載天線(xiàn)用的是三軸或四軸的天線(xiàn)座。［1］

綜合來(lái)看，二軸的天線(xiàn)座有很大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在很多缺點(diǎn)。因?yàn)檐?chē)載天線(xiàn)會(huì)隨著車(chē)的晃動(dòng)而晃動(dòng)，車(chē)輛不處于準(zhǔn)直狀態(tài)時(shí)，俯仰跟蹤軸會(huì)隨之也處于非垂直狀態(tài)。這種情況會(huì)對(duì)天線(xiàn)波束造成影響，使其發(fā)生扭動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)兩軸穩(wěn)定跟蹤可以使其不發(fā)生偏移，但對(duì)波束的穩(wěn)定不會(huì)產(chǎn)生很好的效果。當(dāng)對(duì)追蹤的精準(zhǔn)度要求高時(shí)，這些兩軸的設(shè)計(jì)是達(dá)不到預(yù)期效果的。

為了將貼片天線(xiàn)更好的適用于車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)，使其在實(shí)際中得到更為廣泛的應(yīng)用，研發(fā)一種可以旋轉(zhuǎn)的車(chē)載天線(xiàn)-圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)，可以通過(guò)這種螺旋天線(xiàn)的研發(fā)獲得更好的效益，并且可以實(shí)現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)和仰角低的特點(diǎn)。并從實(shí)際出發(fā)，將天線(xiàn)設(shè)計(jì)變小，提高其便攜性等。［2］

二、雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)及設(shè)計(jì)

1.GALERKIN法

GALERKIN法是有限元方法，該方法最初由里茲提出，之后由伽遼金對(duì)其之前的方法加以改進(jìn)。它的基本原理是通過(guò)在N維空間里面構(gòu)造一組分段與原本相對(duì)接近的泛函，這樣只用在現(xiàn)在的空間中加權(quán)積分，便可以得到一組易于求解的線(xiàn)性代數(shù)方程，進(jìn)行計(jì)算。

2.曲線(xiàn)三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗(yàn)矩量法

利用曲線(xiàn)三角基展開(kāi)GALERKIN法檢驗(yàn)矩量法來(lái)求天線(xiàn)的整個(gè)過(guò)程可以總結(jié)成下面的矩陣方程組的解，在這里面：是電流矩陣，來(lái)表示線(xiàn)上的電流，是激勵(lì)矩陣，是阻抗矩陣。［3］

3.雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)的矩量解

用矩量法來(lái)分析雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)通常分為以下三個(gè)步驟：

第一步，先描述此天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)，形成一種相對(duì)合適去應(yīng)用矩量法的結(jié)構(gòu)，對(duì)于對(duì)稱(chēng)性雙臂的曲線(xiàn)型線(xiàn)天線(xiàn)，通常將兩個(gè)臂分為2N+1截，每一段為N段，將激勵(lì)電壓源加入中間一段，這樣做是可以利用天線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，少了很多繁多的計(jì)算，這樣做可以使得計(jì)算更準(zhǔn)確，如圖1所示：

圖1　天線(xiàn)對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)計(jì)算圖

第二步，按照曲線(xiàn)段三角基展開(kāi)，GALERKIN法來(lái)檢驗(yàn)的矩量法解阻抗的矩陣，并且要按照中心對(duì)稱(chēng)矩陣這個(gè)性質(zhì)來(lái)簡(jiǎn)化我們的運(yùn)算。

第三步，要解出阻抗矩陣并且還要和外加電壓矩陣作用，就要求解出線(xiàn)上的電流然后再求出天線(xiàn)的各種參數(shù)。［4］

4.雙臂圓錐對(duì)數(shù)螺旋天線(xiàn)的方向圖仿真

首先為了讓天線(xiàn)具有寬頻帶特性，就要讓螺旋的全數(shù)一定；接著我們可以依據(jù)設(shè)計(jì)頻率的范圍來(lái)確定圓錐的小端、大端直徑d和D；然后圓錐的頂角0θ和螺旋角α對(duì)方向圖以及波瓣的寬度影響非常大。一般，在α、δ數(shù)據(jù)一定的條件下，0θ越大波瓣就越寬，當(dāng)0θ極小的時(shí)候，方向圖就比較窄小，但是如果很小就將會(huì)讓椎體過(guò)長(zhǎng)；當(dāng)0θ和δ一定的時(shí)候，α角度越小則波瓣就越寬；而當(dāng)0θ、α一定的條件下，螺旋臂的角的寬度δ對(duì)輻射的方向圖影響并不會(huì)太明顯。［5］

方向圖，工程上可近似表達(dá)為：

其中k為自由空間傳播常數(shù)，p為相對(duì)傳播常數(shù)。

北斗系統(tǒng)的工作波段在S波段。S波段采用2491.75MHz的中心頻率，以及4.08MHz的帶寬。

天線(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)通常對(duì)仰角有一定要求，因?yàn)槟硞€(gè)目的要求，40度時(shí)為最佳仰角，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的最大增益。為了滿(mǎn)足信號(hào)集中等要求，在25度-55度的仰角中，功率增益不得小于4 dB。由于天線(xiàn)往往部署在高處，天線(xiàn)的高度會(huì)影響仰角，所以對(duì)天線(xiàn)的高度也有一定的要求。通過(guò)上述要求，可以判斷角度擴(kuò)展的設(shè)計(jì)為30度，選擇60度的包角，半功率寬度139度。由此，可以設(shè)計(jì)出如下參數(shù)的雙臂CLS天線(xiàn)：首先進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)已知的工作頻率來(lái)計(jì)算工作頻段波長(zhǎng)：120mm-120.7mm；再分別對(duì)天線(xiàn)上端的截止半徑和天線(xiàn)下端的截止半徑進(jìn)行計(jì)算：5.52mm和3.17mm；計(jì)算天線(xiàn)高度：92mm。

從圖2中，我們發(fā)現(xiàn)角度為40度、-45度時(shí)，可以看到最大增益，這已經(jīng)達(dá)到了目標(biāo)的要求。［6］

結(jié)語(yǔ)

圖2中心頻率下的CLS天線(xiàn)的歸一化方向圖

穩(wěn)定性，因此大大提高了整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)的精確度。但當(dāng)前這些系統(tǒng)功能的服務(wù)知識(shí)初始階段，對(duì)于更好的研究和應(yīng)用需要更進(jìn)一步的努力和更多的時(shí)間。

［1］ 譚述森，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考，宇航學(xué)報(bào)，中國(guó)人民解放軍61081部隊(duì)，北京。2008.

［2］ 楊元喜，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進(jìn)展、 貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位于應(yīng)用管理中心，北京。

［3］ 施闖，趙齊樂(lè)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究，中國(guó)科學(xué)，地球科學(xué)，2012.

［4］ 唐旭，何秀鳳，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度相對(duì)定位性能分析，導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2013.

［5］ 王艷紅，趙文智，楊明，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其于民航導(dǎo)航的應(yīng)用，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014.

［6］ 周巍，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定位理論方法研究與實(shí)現(xiàn)，信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文。