應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻圓極化天線

臧志斌 ，傅 寧 ，馬 軍 ，夏傳福 ，吳小鷗 ，陳偉強(qiáng)

(1.國網(wǎng)思極神往位置服務(wù)(北京)有限公司，北京102211；2.福州大學(xué) 福建省數(shù)字電視工程研究中心，福建 福州350116)

0 引言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由我國自主研發(fā)，與GPS、格洛納斯和伽利略統(tǒng)稱為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用上，一般通過天線發(fā)射和接收電磁波信號(hào)來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。 天線作為射頻前端部件，性能優(yōu)劣直接影響衛(wèi)星導(dǎo)航終端性能指標(biāo)[1-2]。 對(duì)此，國內(nèi)外專家學(xué)者提出將多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)融合在一起，通過多模多頻信號(hào)聯(lián)合解算，提高衛(wèi)星導(dǎo)航終端定位精度和穩(wěn)定性。

微帶天線由于重量輕、剖面低、成本低等特點(diǎn)，在衛(wèi)星導(dǎo)航天線中得到廣泛應(yīng)用[3]。 大多數(shù)的導(dǎo)航天線采用疊層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻覆蓋[4-6]，文獻(xiàn)[4]采用雙層堆疊微帶天線結(jié)構(gòu)覆蓋GPS 雙頻，天線采用單點(diǎn)耦合饋電激勵(lì)起雙頻諧振，采用高介電常數(shù)板材減小天線尺寸，但天線帶寬窄且高頻增益比較低。文獻(xiàn)[5]采用雙層介質(zhì)間添加空氣層的結(jié)構(gòu)，采用雙點(diǎn)饋電方式，天線帶寬略有增加，可以覆蓋北斗B3、GPS L1 及GLONASS L1 三個(gè)頻段，天線單元增益大但低仰角性能比較差。 文獻(xiàn)[6]同樣采用雙層堆疊結(jié)構(gòu)，利用雙點(diǎn)耦合饋電激勵(lì)天線諧振，同時(shí)使用雙饋，利用雙饋電橋提高相位中心的穩(wěn)定性，但天線并未覆蓋北斗一代發(fā)射頻段，應(yīng)用性不高同時(shí)低仰角增益比較低。 文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一款多點(diǎn)饋電四頻組合的圓極化天線，覆蓋北斗B3、GPS L1 及北斗一代收發(fā)L/S 頻段。 此類疊層微帶天線雖然覆蓋了導(dǎo)航天線的多個(gè)頻段，但相位中心穩(wěn)定性不夠且低仰角增益比較低[8]，在某些特定需求中達(dá)不到指標(biāo)要求。 文獻(xiàn)[9]、文獻(xiàn)[10]通過在天線四周設(shè)置銅片或在底部加載圓臺(tái)來提高低仰角增益，但同時(shí)增加了天線的復(fù)雜性并不易于批量加工實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)了一款多模多頻衛(wèi)星導(dǎo)航圓極化天線。天線覆蓋衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的BDS-1 L/S、BDS-2 B1 和GPS L1 多頻段，適用于北斗一代衛(wèi)星收發(fā)通信、北斗二代衛(wèi)星定位等領(lǐng)域。天線結(jié)構(gòu)采用微帶與螺旋結(jié)合方式，展寬方向圖波束寬度，保證低仰角衛(wèi)星信號(hào)的接收效果，使天線具有更優(yōu)秀的低仰角搜星能力。

1 天線結(jié)構(gòu)

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

圖2 螺旋臂展開圖

圖3 微帶天線尺寸圖

圖1(a)、(b)分別給出了天線的整體結(jié)構(gòu)圖及前視圖。 天線包括兩個(gè)獨(dú)立的輻射單元：四臂螺旋單元及微帶天線單元。 四臂螺旋單元由四根相同的螺旋臂環(huán)繞在半徑為helix_r、 高度為helix_h 的圓柱上，平面展開圖如圖2 所示。其中，每根臂的長度為helix_l，寬度為helix_w，螺旋臂與水平面的夾角為β，每根臂之間的距離為helix_r×π/2。 四臂螺旋單元采用多點(diǎn)饋電，各螺旋臂上的電流幅度相等，相位依次為0°、90°、180°、270°，形成右旋圓極化輻射，拓寬天線的波束寬度。 微帶天線結(jié)構(gòu)尺寸如圖3 所示，天線由兩層微帶貼片天線堆疊而成，其中，第一層天線輻射貼片蝕刻在邊長為s1、厚度為h1的方形陶瓷介質(zhì)基片上，介電常數(shù)為10.1，天線采用矩形貼片單饋結(jié)構(gòu)，輻射貼片邊長為p1，將矩形貼片適當(dāng)切角使天線輻射左旋圓極化波，覆蓋北斗一代發(fā)射頻段BDS-1 L 頻段。 天線饋電點(diǎn)與天線中心的距離為d，切角三角形的直角邊長為c1。 第二層天線輻射貼片蝕刻在邊長為s2、厚度為h2的方形陶瓷介質(zhì)基片上，其介電常數(shù)為8，輻射貼片的邊長為p2，天線采用矩形貼片中心饋電結(jié)構(gòu)，在饋電位置附近開U 型槽減小天線尺寸并將矩形貼片適當(dāng)切角后天線輻射右旋圓極化波，覆蓋北斗一代接收頻段BDS-1 S 頻段，貼片饋電點(diǎn)位于天線中心，切角三角形的直角邊長為c2。 螺旋單元與微帶單元之間的距離為h3，當(dāng)螺旋單元與微帶單元之間靠得比較近時(shí)，單元間的耦合很強(qiáng)烈，天線的軸比性能會(huì)受到影響而急劇惡化，需要將二者距離拉開以降低互相影響。

利用電磁仿真軟件設(shè)計(jì)和仿真天線，天線優(yōu)化尺寸如下(單位：mm)：s1=35.5，h1=2，p1=28.4，c1=1.2，d=3，s2=25，h2=2，p2=18.5，c2=2，a1=6.9，a2=3，r=27，h3=10，helix_r=10，helix_h=112.5 ，helix_l=137.5 ，helix_w=4，β=55°。

2 天線仿真結(jié)果

2.1 反射系數(shù)S11

利用電磁仿真軟件HFSS 仿真L/S/B1/L1 頻段輸出端口的S 參數(shù)，圖4 為天線各頻段S 參數(shù)的仿真結(jié)果。 從圖4(a)中可以看出S11小于-10 dB 的帶寬為93 MHz(1 509～1 602 MHz)，可以覆蓋北斗二代B1 頻段(1 561.098±2.046 MHz)及GPS L1 頻段(1 575.42±2.046 MHz)；從圖4(b)中可以看出S11小于-10 dB的帶寬為12 MHz(1 610～1 622 MHz)，可以覆蓋北斗一代發(fā)射頻段L 頻段(1 615.68±4.08 MHz)；從圖4(c)中可以看出S11小于-10 dB 的帶寬為70 MHz(2 453 ～2 523 MHz)，可以覆蓋北斗一代接收頻段S 頻段(2 491.75±4.08 MHz)。

2.2 軸比

圖5(a)～(d)分別對(duì)應(yīng)中心頻率為1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 軸 比 仿 真 結(jié)果。 其中，虛線對(duì)應(yīng)xz 面仿真結(jié)果，實(shí)線為yz 面仿真結(jié)果。 由圖可以看出在phi=0、theta=0 時(shí)，xz 面、yz 面天線的軸比均小于3 dB，在頻點(diǎn)1.561 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為196°，在頻點(diǎn)1.575 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為197°，在頻點(diǎn)1.616 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為102°，在頻點(diǎn)2.492 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為178°。

2.3 增益

圖4 天線S 參數(shù)曲線圖

通過電磁仿真軟件HFSS 分析天線各頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，圖6(a)～(d)分別對(duì)應(yīng)天線在中心頻率為1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 增益方向圖，從圖6 中可以看出天線在1.561 GHz 右旋圓極化增益為6.19 dB，在1.575 GHz 右旋圓極化增益為6.13 dB， 在1.616 GHz 左旋圓極化增益為3.47 dB， 在2.492 GHz 右旋圓極化增益為5.64 dB。所述各頻段主極化要求一致，且在主極化下極化增益高，方向圖波瓣寬度大，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航場(chǎng)景應(yīng)用。

圖5 天線軸比曲線圖

圖6 天線增益方向圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻圓極化天線。天線采用螺旋結(jié)構(gòu)與微帶結(jié)構(gòu)相組合方式，實(shí)現(xiàn)北斗一代收發(fā)L/S 頻段、北斗二代B1 頻段和GPS L1 頻段的覆蓋，天線具有良好的低仰角增益， 通過螺旋結(jié)構(gòu)可提高天線的低角搜星能力，同時(shí)具有更高的定位精度。仿真結(jié)果表明天線性能指標(biāo)良好，滿足衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用要求，具有很好的應(yīng)用前景。