一種BDII/GPS抗干擾環(huán)帶天線設(shè)計(jì)

王曉光

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川成都 610036)

0 引言

飛行器在運(yùn)動(dòng)過程中需要保持連續(xù)的位置與速度及速度變化率測(cè)量信息，針對(duì)圓柱形飛行載體，飛行狀態(tài)除了平動(dòng)之外還伴隨繞軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，平面天線不滿足該使用場(chǎng)景，其原因有三：1)平面天線不能與載體共形安裝；2)平面天線波束有限，僅在徑向某一段圓弧內(nèi)存在輻射方向圖；3)連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中接收衛(wèi)星信號(hào)不連續(xù)。因此需要設(shè)計(jì)一種在旋轉(zhuǎn)過程中能全程定位的天線，需要其在旋轉(zhuǎn)的徑向具有全向方向圖，良好的不圓度以及一定的增益，同時(shí)能夠適應(yīng)與空氣高速摩擦帶來的急劇溫升。針對(duì)類似場(chǎng)景研究者做了大量有益的工作，一種耐高溫衛(wèi)星導(dǎo)航天線[1]，能夠滿足高速飛行時(shí)高溫環(huán)境下對(duì)天線的要求；錐臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了GPS(Global Positioning System)以及BD(Beidou Navigation Satellite System)B1頻點(diǎn)的共形天線，將錐面的幾何特征提取進(jìn)行仿真，很好地解決了曲面共形的設(shè)計(jì)難點(diǎn)[2]；環(huán)氧玻璃纖維樹脂材質(zhì)的基板實(shí)現(xiàn)了一種雙環(huán)形天線[3]，通過仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。文獻(xiàn)[4]實(shí)現(xiàn)了一種雙饋點(diǎn)GNSS環(huán)帶共形天線；文獻(xiàn)[5-11]分別對(duì)天線共形與環(huán)帶輻射場(chǎng)理論進(jìn)行了有益探索，文獻(xiàn)[12-15]對(duì)共形天線方向圖理論進(jìn)行了研究。綜合以上方法，針對(duì)BDII窄帶抗干擾特定的應(yīng)用場(chǎng)景，采用半柔性印制板設(shè)計(jì)了一種包含2個(gè)BDII及1個(gè)GPS陣元的環(huán)帶天線，每個(gè)陣元通過等間距的8個(gè)分布式單元陣列構(gòu)成，其平面展開形式為微帶合路，通過半柔性印制板卷繞在飛行器徑向與外表面共形，微帶合路信號(hào)輸出給飛行器內(nèi)部導(dǎo)航接收機(jī)，完成隨軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的連續(xù)定位，此外由于天線需要抑制BDII帶內(nèi)窄帶干擾信號(hào)，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)B3環(huán)帶，具有幾乎相同的輻射方向圖以對(duì)消干擾，并且需要一定的隔離度，以提高零陷深度。

1 環(huán)行圓極化天線整體布局

環(huán)帶天線通過半柔性印制板承載，平面展開形式為矩形，應(yīng)用于飛行器外表面，有全向的方向圖，使得飛行器在飛行過程中繞軸向自身旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠持續(xù)地接收導(dǎo)航信號(hào)；飛行器外徑為r，環(huán)帶天線的總長度為2πr，其首尾通過焊點(diǎn)連接卷繞在飛行器外表面；在寬度方向分別由BDII B3/BDII B3/GPS L1三個(gè)陣元構(gòu)成，總寬度為250 mm，根據(jù)GPS與BDII不同的波長，結(jié)合仿真分配尺寸分別為B3(1)90 mm，B3(2)90 mm，GPS(1)70 mm。環(huán)帶天線整體布局如圖1所示。

圖1 環(huán)帶天線整體布局

每一個(gè)環(huán)帶合路后只需要單孔輸出到其內(nèi)部BDII及GPS抗干擾接收機(jī)，為防止內(nèi)部接收機(jī)對(duì)外輻射通過天線耦合后被接收，將金屬桶軸向兩端密封設(shè)計(jì)，抑制內(nèi)部電磁輻射；導(dǎo)航接收機(jī)包含兩路BD下變頻及一路GPS下變頻，BD下變頻通道采用一次變頻低增益設(shè)計(jì)，以提高固定增益下的接收動(dòng)態(tài)，GPS下變頻通道采用二次變頻低中頻設(shè)計(jì)，以提高中頻選擇性；天線的軸向尺寸不超過250 mm，含天線罩(厚度2 mm)后的徑向尺寸不超過297 mm。

2 天線設(shè)計(jì)

天線通過均勻分布在整個(gè)圓周徑向的8個(gè)全等單元合成，以改善環(huán)帶天線的不圓度；為了實(shí)現(xiàn)與飛行器外表面共形，同時(shí)盡量不破壞其外形結(jié)構(gòu)，采用了平面?zhèn)瑞佉约拔Ш铣傻姆绞?，每一個(gè)環(huán)帶天線最終合成輸出，3個(gè)環(huán)帶共需在飛行器徑向圓周開3個(gè)輸出孔輸出導(dǎo)航信號(hào)至接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2 天線陣元布陣模型

仿真表明，8天線單元合成徑向方向圖在 1.268 GHz處方向圖的波動(dòng)小于2 dB，1.575 GHz處的波動(dòng)小于2.2 dB。根據(jù)實(shí)際測(cè)量，GPS和BD導(dǎo)航信號(hào)到達(dá)天線口面的信號(hào)強(qiáng)度為-125 dBm，接收機(jī)靈敏度為-133 dBm，到達(dá)地面的信號(hào)強(qiáng)度有一定的功率余量?？紤]到實(shí)現(xiàn)時(shí)透波材料衰減及介質(zhì)損耗，天線設(shè)計(jì)仍有一定余量。多天線布局狀態(tài)下，天線陣的徑向輻射增益有所下降。天線徑向?yàn)榻咏驁D，軸向?yàn)槌蕦?duì)稱倒8字形。

B3天線抗一個(gè)寬帶干擾，需要兩個(gè)環(huán)帶陣元；GPS天線一個(gè)環(huán)帶陣元；采取每個(gè)環(huán)帶上有8個(gè)單元均勻分布的形式，B3的8個(gè)單元之間保持一定的間隔加強(qiáng)隔離，兩個(gè)B3陣元之間為了減小互耦，布局時(shí)相互遠(yuǎn)離，一個(gè)B3環(huán)帶靠近邊緣，一個(gè)B3環(huán)帶靠近GPS。

3 單個(gè)天線陣元設(shè)計(jì)

單饋點(diǎn)導(dǎo)航天線在接收交叉極化信號(hào)時(shí)會(huì)造成較差的定位精度，雙饋天線通過一個(gè)90°移相器合成信號(hào)后單路輸出，相對(duì)單饋方式在更寬的帶寬內(nèi)有較好的阻抗和軸比。為了避免直饋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的困難，對(duì)B3及GPS均采用側(cè)饋方式饋電。其中針對(duì)B3采用雙饋設(shè)計(jì)可以提高對(duì)交叉極化信號(hào)的抑制比，進(jìn)而提升單陣元合成信號(hào)軸比從而改善圓極化性能。合路器設(shè)計(jì)采用微帶合成的方式，通過蛇形走線調(diào)整電長度實(shí)現(xiàn)信號(hào)合成，8個(gè)單元為全等正方形金屬貼片，邊長為L，根據(jù)諧振頻率初步計(jì)算其尺寸大小：

式中，c為光速，f0為諧振頻率。由于GPS頻率高于BDII，因此GPS陣元小于BDII陣元；針對(duì)具體位置不同的3個(gè)環(huán)帶分別進(jìn)行了仿真,圖3、圖4、圖5為邊緣B3環(huán)帶仿真結(jié)果，圖6、圖7、圖8為中間B3環(huán)帶仿真結(jié)果，圖9、圖10、圖11為GPS環(huán)帶仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，其中實(shí)線為仿真，虛線為測(cè)試結(jié)果。

圖3 邊緣的B3環(huán)徑向方向圖

圖3所示是邊緣環(huán)帶，中心頻率為1 268.52 GHz，方位角為0°時(shí)的增益方向圖。從圖3可以看出，俯仰角為45°處的增益為-0.627 dB，俯仰角為90°處的增益為-1.342 dB。

可見，邊緣的B3環(huán)帶在徑向輻射方向?yàn)槿?，不圓度小于1 dB，外表面涂敷厚度為0.5 mm透波隔熱材料后，實(shí)際增益有所下降，其徑向軸比如圖4所示。

圖4 邊緣的B3環(huán)徑向軸比

圖5所示是邊緣環(huán)帶，中心頻率為1 268.52 GHz，方位角為90°時(shí)的增益方向圖。從圖5可以看出，俯仰角為-65°處的增益為-0.604 dB，俯仰角為130°處的增益為-4.912 dB。

圖5 邊緣的B3環(huán)軸向方向圖

由圖5可見，邊緣的B3環(huán)帶在軸向輻射方向呈對(duì)稱倒8字形，在平動(dòng)的前后兩個(gè)方向有一定波束寬度。

圖6所示是中間環(huán)帶，中心頻率為1 268.52 GHz，方位角為0°時(shí)的增益方向圖。從圖6可以看出，俯仰角為-70°處的增益為-1.361 dB，俯仰角為80°處的增益為-4.239 dB。中間的B3環(huán)帶在徑向輻射方向?yàn)槿?，不圓度比邊緣的環(huán)帶略差，這是由于中間環(huán)帶的輻射方向圖同時(shí)受到B3以及GPS環(huán)帶的互耦影響。圖7所示是方位角為90°時(shí)的增益方向圖，可以看出俯仰角為20°處的增益為-0.339 dB，俯仰角為-45°處的增益為-6.14 dB。其徑向軸比如圖8所示。

圖6 中間的B3環(huán)徑向方向圖

圖7 中間的B3環(huán)軸向方向圖

圖8 中間的B3環(huán)徑向軸比

設(shè)計(jì)的雙模抗干擾環(huán)帶天線實(shí)現(xiàn)了較好的增益均勻性，結(jié)合BDII接收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)超過60 dB的窄帶抗干擾能力，與其他文獻(xiàn)對(duì)比如表1所示。

表1 本文設(shè)計(jì)指標(biāo)與其他文獻(xiàn)指標(biāo)對(duì)比

圖9為邊緣GPS環(huán)帶在徑向輻射方向圖，中心頻率為1 575.42 GHz，方位角為0°時(shí)的增益方向圖，可以看出俯仰角為100°處的增益為0.327 dB，俯仰角為155°處的增益為-1.854 dB。方位角為90°時(shí)的增益方向圖，可以看出俯仰角為0°處的增益為-1.265 dB，俯仰角為-125°處的增益為-5.689 dB。其徑向軸比如圖11所示。

圖9 GPS環(huán)徑向方向圖

圖10 GPS環(huán)軸向方向圖

4 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果看，邊緣的B3環(huán)由于采用雙饋的形式，天線仿真結(jié)果比GPS環(huán)要好。

邊緣的B3結(jié)果比中間的B3環(huán)結(jié)果好，原因是中間的B3環(huán)受到耦合影響嚴(yán)重；邊緣的B3環(huán)在徑向最低增益不小于-1.34 dBi，中間的B3環(huán)在徑向最低增益不小于-3.23 dBi，GPS環(huán)在徑向最低增益不小于-1.85 dBi。同時(shí)分別對(duì)3個(gè)陣元進(jìn)行了輸出駐波測(cè)試。仿真及實(shí)測(cè)的對(duì)比如 表2所示。

表2 環(huán)帶天線仿真與測(cè)試參數(shù)對(duì)比

圖12 環(huán)帶天線實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種B3及GPS雙頻點(diǎn)環(huán)帶天線，通過側(cè)饋以及雙饋電路形式，解決了天線與柱面表面共形，改善了增益均勻度，為旋轉(zhuǎn)時(shí)的信號(hào)連續(xù)接收提供了有利條件，環(huán)帶總縱向尺寸為250 mm。測(cè)試結(jié)果表明，天線在1 268.52 MHz中心頻率實(shí)現(xiàn)了±12 MHz的3 dB帶寬，優(yōu)于-3.33 dB增益；在1 575.42 MHz中心頻率實(shí)現(xiàn)了±2 MHz的3 dB帶寬，優(yōu)于-3.57 dB增益；地面3 Hz旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)定位穩(wěn)定，信噪比均大于42 dB，由于涂敷絕熱層工藝影響透波系數(shù)，同時(shí)對(duì)中心頻率產(chǎn)生了影響，實(shí)際增益較理論增益低，改善增益是下一步的重點(diǎn)工作。