一種新型梯形開槽全頻段高精度測量型天線的設計

廣州中海達衛星導航技術股份有限公司 張華福 馬大堅 李庚祿 李曉鵬 謝柏棟

一種新型梯形開槽全頻段高精度測量型天線的設計

廣州中海達衛星導航技術股份有限公司 張華福 馬大堅 李庚祿 李曉鵬 謝柏棟

本文通過設計研究新型梯形開槽，加載耦合線，軸向對稱四饋點饋電方式的測量型天線，經過計算仿真，結果表明，這種開槽耦合方式在一定程度上擴展了天線的阻抗帶寬，使得天線獲得了很寬的頻帶，在L1頻段具有140MHz的帶寬，在L2頻段具有180MHz的帶寬，使得天線能實現GPS：L1、L2、L5，GLONASS：L1、L2，北斗：B1、B2、B3和Galileo：L1、L2全頻段衛星的接收，同時，這種天線有較寬的軸比帶寬，實現了天線良好的圓極化性能和較強的抑制多路徑效應的能力，并且低仰角有較高的增益，能更好地接收到低仰角衛星，為高精度衛星導航終端設備供了重要的應用價值。

天線；寬頻帶；高精度；圓極化；軸比；開槽

前言

全球衛星導航系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全時空、全天候、高精度、連續實時地提供導航、定位和授時的特點,因此在經濟發展、科學研究、災害防控以及軍事領域起著越來越重要的作用,世界各主要大國都競相發展獨立自主的衛星導航系統[1,2,3]。根據衛星信號特征及GNSS應用原理,利用GPS、GLONASS、北斗和GALILEO進行組合導航,可以使接收機觀測到的衛星數目大大增加,從而有利于縮短定位時間、減小多路徑誤差,提高定位的精度。特別是在城市峽谷、密林深處等信號受到嚴重遮擋的情況下這種優勢很明顯,從而可以免受單一衛星導航系統的制約[4-9]。而采用多頻組合導航可以補償電離層延時,進而提高定位測量精度[10,11]。可見用于高精度衛星導航的天線的科技含量很高,其中雙頻寬帶、能夠同時覆蓋多個衛星導航星座的特性尤其重要,也是其設計難點所在。

基于上述考慮,本文提出一款新型全頻段高精度測量型天線的設計,能滿足同時接收GPS:L1、L2、L5; GLONASS:L1、L2;北斗:B1、B2、B3和GALILEO:L1、L2衛星信號,并且具有較寬的增益帶寬和軸比帶寬,有較大的抗多路徑能力,為促進高精度衛星導航終端設備的發展具有重大意義。

1 線設計

天線采用雙層微帶貼片疊層結構,其俯視結構如圖1所示,其中L1層產生接收GPS:L1、GLONASS:L1、北斗:B1、GALILEO:L1信號,L2層產生接收GPS:L2、L5、GLONASS:L2、北斗:B2、B3、GALILEO: L2信號。微帶天線是諧振式天線,微帶貼片的長度大約是介質波長的1/2。天線的輻射貼片中矩形貼片大小由下式給出[7]:

圓形貼片的大小由下式給出:

其中,c為光在真空中的傳播速度,L為微帶矩形貼片的實際長度,h是基片的厚度,是由邊緣效應引起的電納可用延伸長度,為基板相對介電常數。

圖1 天線俯視圖

貼片天線由于其饋電探針所帶來的感性電抗使得貼片天線的帶寬很難超過10%,而梯形開槽的方式可以有效降低這種感性電抗使得天線的阻抗帶寬得到展寬。同時,這種環形開槽的方式保持了圓形貼片結構簡單的優點。普通的貼片天線都在半波長諧振,天線的尺寸在半波長左右,而短路墻加載的方式使得天線在四分之一波長諧振,可以有效減小貼片天線的尺寸。

2 仿真結果

通過理論計算和HFSS高頻電磁軟件仿真,采用均勻對稱的四饋點饋電,使天線具有穩定的相位中心,相位中心偏差減小,使得天線具有較高的定位精度。通過計算饋電的位置,使每個饋點之間實現幅度相等,相位相差90度的正交諧振模式,仿真優化其位置,使得天線能拓展其工作帶寬,實現全頻段接收。選取合理的開槽,可使天線實現圓極化的工作狀態。

圖2 天線S11參數

圖2是天線在L1、L2頻段內的S11參數,從圖中可以看出,天線在1.5GHz到1.64GHz頻率范圍內S11參數小于10,在1.1GHz到1.28GHz頻率范圍內S11參數小于10,說明了天線合理的饋點和開槽拓展了阻抗帶寬,使天線能實現GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全頻段衛星的接收。

圖3 天線增益性能

天線的增益是天線性能的關鍵,往往很多天線的頂點增益不高,低仰角增益偏低,使得天線裝置在接收機設備中信噪比偏低,很難接收到低仰角的衛星,定位精度差。圖3是天線在L1頻段、L2頻段內的增益,從圖中可以看出,天線在L1頻段內,其頂點位置的增益為6.4dBi,低仰角±90度位置的增益為-3.3dBi,在L2頻段內,其頂點位置的增益為6.5dBi,低仰角±90度位置的增益為-5dBi。一般接收機要求天線頂點的增益大于5dBi,低仰角±90度位置的增益不低于-6dBi才能保證整機的高精度良好性能。本天線的合理開槽和在槽的底部加上耦合線,使得天線的電磁能量得到良好輻射,提升了天線的總體增益,保證了天線在低仰角有較高的增益,滿足了接收機的要求。

圖4 天線軸比性能

圖4是天線在L1頻段、頻段時的軸比性能,圖中表明,天線在L1頻段時,從仰角-82°到86°之間軸比低于3dB,在L2時,從仰角-110°到112°之間軸比低于3dB,說明天線在此角度內軸比性能很好,較寬的軸比帶寬,很好地實現了圓極化性能。L1層和L2層的開槽方式具有良好的對稱性,改善了天線的波束寬度,使得天線輻射單元有較寬的軸比帶寬。軸比性能的好壞,決定了測量型天線的抑制多路徑效應的能力,一般來說,要求天線的軸比帶寬在-60°到60°之間,圖4顯示的較寬的軸比帶寬,說明天線有很強的抑制多路徑效應的能力。

3 結論

本天線采用傳統的雙層結構,通過采用新型開槽、耦合方式,拓展了天線的阻抗帶寬,在L1頻段具有140MHz的帶寬,在L2頻段具有180MHz的帶寬,使得天線能實現GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全頻段衛星的接收。同時加載耦合線激勵,使得天線的電磁能量得到良好輻射,提升了天線的總體增益,保證了天線在低仰角有較高的增益,能更好地接收到低仰角衛星。軸向對稱性開槽和四饋點饋電改善了天線的波束寬度,使天線具有較寬的軸比帶寬,具有較強的抑制多路徑效應的能力,并具有穩定的相位中心,使得天線在遮擋等惡劣的環境仍然具有高精度測量的能力。新型的寬頻帶、高精度天線設計滿足了對多頻段、多星座衛星接收的要求,為GNSS高精度測量行業提供了重要保證。

［1］付世強,房少軍,王鐘葆.多模衛星定位導航系統的寬帶天線［J］.哈爾濱工業大學學報,2008,40(11):1811-1814.

［2］M.D.Plessis and J.Cloete,Tuning stubs for microstrippatch anetnnas,IEEE Antennas Propagat.Mag.36.

［3］李庚祿,林福民等.北斗二代和GPS聯合導航的雙頻微帶天線的設計［J］.信息通信,2012(4):12-13.

［4］李洪彬.實現寬波束圓極化天線的幾種方法［J］.軍事通信技術,2011(1):44-46.

［5］趙麗娟,邵曉亮,鄒永慶,吳先良,楊代明.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設計［J］.現代電子技術,2009,32(24):91-93.

［6］高陽,董樹榮,王德苗.GPS天線技術及其發展［J］.無線通信技術,2008(4):34-39.

［7］Guo Y X,Bian L,Shi X Q.Broadband circularly polarized annular-ring microstrip antenna［J］.Antennas and Propagation, IEEE Transactions on, 2009,57(8):2474-2477.

［8］田曉青,劉少斌,張學勇,周良.基于北斗衛星導航系統的一種圓極化微帶天線［J］.信息化研究,2011,37(2): 22-24.

張華福（1985—），男，廣東茂名人，碩士，廣州中海達衛星導航技術股份有限公司基礎研究院射頻工程師。