用于衛(wèi)星定位的多叉單極子陣列天線設(shè)計(jì)

林斌　溫舒瑤　王星燁等

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星定位系統(tǒng)；星形切角輻射貼片；微帶單極子天線；多叉單極子；不對(duì)稱陣列天線

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是人類20 世紀(jì)最偉大的發(fā)明創(chuàng)造之一，它依靠多顆定位衛(wèi)星和數(shù)量龐大的地面終端設(shè)備共同實(shí)現(xiàn)高精度的全球定位。目前最成熟最有應(yīng)用潛力的定位系統(tǒng)是由美國(guó)主導(dǎo)研發(fā)設(shè)計(jì)的全球定位系統(tǒng)和中國(guó)自主研發(fā)設(shè)計(jì)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星定位天線是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)衛(wèi)星定位的精度和定位有效距離有著決定性的影響。全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星定位天線需要完全覆蓋（1.164 ～ 1.577）GHz 頻段[1-6]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星定位天線需要完全覆蓋（1.204 ～ 1.564）GHz 工作頻段[7-10]。合格的衛(wèi)星定位天線需要同時(shí)兼容全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，并能滿足輻射強(qiáng)度高、工作帶寬大、有充足性能冗余、輻射能量集中、能夠窄波束定向輻射等要求。

1 多叉單極子天線簡(jiǎn)介

多叉單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該天線的基本輻射單元是星形切角輻射貼片，它由四角星經(jīng)過切角處理得到。四角星結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，8 條邊長(zhǎng)度相等，作為輻射貼片時(shí)，8 條輻射邊沿的輻射會(huì)同相疊加，形成輻射強(qiáng)度很高的輻射頻段。對(duì)四角星結(jié)構(gòu)進(jìn)行切角處理后，其內(nèi)部轉(zhuǎn)角全部變?yōu)殁g角，電流傳輸時(shí)的衰減大大減弱，輻射強(qiáng)度能得到明顯的提高。衛(wèi)星定位天線傳輸?shù)木嚯x很遠(yuǎn)，需要從地面穿過地球大氣層與衛(wèi)星進(jìn)行通信，因此對(duì)窄波束定向輻射能力的要求很高。微帶單極子天線具有高輻射強(qiáng)度和優(yōu)良定向輻射工作能力，很適合作為衛(wèi)星定位天線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的微帶單極子天線工作帶寬較小，不能完全覆蓋全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，需要改進(jìn)結(jié)構(gòu)來增大工作帶寬。多叉單極子天線是對(duì)傳統(tǒng)的微帶單極子天線的創(chuàng)造性改進(jìn)設(shè)計(jì)，它由饋電貼片和多個(gè)輻射臂組成，每個(gè)輻射臂包含多個(gè)星形切角輻射貼片。饋電貼片和任一輻射臂都可以組成一個(gè)微帶單極子天線，具有較高輻射強(qiáng)度和良好的定向輻射能力，整個(gè)多叉單極子天線可以看作是多個(gè)工作在不同頻段的微帶單極子天線疊加在一起，多個(gè)輻射頻段可以融合成一個(gè)較大的輻射頻段，解決了微帶單極子天線工作頻段較小的問題。

2 不對(duì)稱陣列天線簡(jiǎn)介

不對(duì)稱陣列天線是一種改進(jìn)型直線陣列天線，其陣元天線是結(jié)構(gòu)相似，但是尺寸結(jié)構(gòu)有所區(qū)別的天線結(jié)構(gòu)。使用不對(duì)稱陣列天線可以在利用組陣提高天線輻射強(qiáng)度的同時(shí)，利用陣元天線的不對(duì)稱性，讓多個(gè)陣元天線工作在不同頻段，利用頻率疊加效應(yīng)來拓展天線的工作頻段。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PEEK（聚醚醚酮）材料是一種特種工程塑料，具有耐腐蝕、高頻高壓電性能好、電絕緣性能好等特點(diǎn)[11-17]，在3D 打印行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，可以通過3D 打印技術(shù)被制作成各種無線通信終端設(shè)備的外殼。PEEK 材料具有對(duì)射頻信號(hào)的損耗較小，能夠滿足衛(wèi)星定位天線對(duì)基質(zhì)材料的要求。

天線尺寸為35 mm×20 mm×1 mm，使用介電常數(shù)為5 的聚醚醚酮基板作為介質(zhì)基板。天線輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

天線輻射貼片由兩個(gè)不對(duì)稱的多叉單極子天線組成，微帶單極子天線結(jié)構(gòu)保證了天線具有較大的輻射強(qiáng)度和優(yōu)異的定向輻射能力，星形切角輻射貼片組成的多個(gè)輻射臂保證了天線具有良好的寬頻帶工作能力，不對(duì)稱陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓展了天線的工作帶寬。

4 天線輻射性能測(cè)試

我們使用3D 打印技術(shù)制作了天線樣品，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和OATS 系統(tǒng)對(duì)天線的輻射性能和方向性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果如圖3～ 圖5 所示。

該款天線的工作頻帶范圍為（1.098-1.792）GHz，工作帶寬為0.694 GHz，天線諧振頻率為1.30 GHz，天線的最低S11 是-27.62 dB。該款天線完全覆蓋了全球定位系統(tǒng)的（1.164 ～ 1.577）GHz 工作頻段和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的（1.204 ～ 1.564）GHz 工作頻段。

天線的方向圖的最大增益為15.25 dB，E 面和H 面副瓣和后瓣都較小，天線輻射能量很集中，定向輻射能力優(yōu)異。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)兩種衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)定位天線的性能要求，創(chuàng)造性地將星形切角輻射貼片、微帶單極子天線、多叉單極子天線、不對(duì)稱陣列天線相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款用于衛(wèi)星定位的多叉單極子陣列天線。在設(shè)計(jì)中，使用多個(gè)星形切角輻射貼片組成多個(gè)輻射臂，再與饋電貼片相結(jié)合組成多叉單極子天線，保證天線基本輻射結(jié)構(gòu)兼具高輻射強(qiáng)度、優(yōu)良定向輻射工作能力和寬頻帶輻射工作能力，使用不對(duì)稱陣列天線結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增強(qiáng)了天線的帶寬性能。天線樣品實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該款天線具有良好的窄波束單方向輻射工作性能，能夠完全覆蓋全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，并具有較大性能冗余，有望在衛(wèi)星定位設(shè)備中得到大規(guī)模使用。