用于衛星通信和GPS的高增益天線設計

盧華剛 馬晨 范煉 于燕萍

(1.常州仁千電氣科技股份有限公司,江蘇常州 213000;2.云南財經大學,云南昆明 650221)

0 引言

隨著無線電通信技術的發展,對天線收發定位要求越來越高,寬頻帶、高增益和多功能是目前天線的主要研究方向[1-3]。其中天通衛星通信帶寬較寬,增益性能要求較高。主要功能是接收和發射對應頻率的電磁波信號,天通天線在生活中具有廣泛的應用。全球定位系統(GPS)的快速發展,對天線的性能和結構特點同樣具有較高的要求,產品具有高增益和高靈敏度的特點,便攜且有較強的環境適應性,諸如抗震救災、遠海水域、野外作業、應急通信等特殊場景下,是唯一有效的通信保障手段。為此,設計一款集收發、定位一體的天線,收發功能的采用天線偶極子的結構形式來實現,腔體結構形式的天線作為定位功能。具有結構簡單、成本低和高增益圓極化性能的優點。

收發天線的偶極子長度為四分之一波長,采用垂直彎折的形式構成對稱振子,在高度受限的情況下,垂直部分為常規銅管結構,彎折部分為對稱扇形結構[4-5],以此作為天線主體,增加天線的輻射。通過加載腔體式結構作為GPS-L1輻射介質。腔體結構形式可以有效的降低天線主體副瓣,提高天線的不圓度,實現天線的高增益的圓極化性能,可以被廣泛的應用在船載天線和車載天線等實際工程中。

1 天線的設計

本文設計的天線結構如圖1所示。收發天線主體是以介電常數ε=4.4,厚度0.8mm的FR4材料為介質基板,在其上印刷四個陣列扇形形狀,同時對稱扇形之間矩形條只與其一相連接,另一端開路,并非互聯狀態,為了避免中間矩形條交叉連接,其中一條采用過孔背向連接技術,由于板厚較薄,其過孔距離可忽略不計,如圖1所示。四根銅管間距為L,長度為H1,銅管一端焊接在厚度1mm的FR4反射介質板上,另一端焊接在扇形上,其中扇形與矩形條開路端一側銅管的內芯分別穿至特氟龍管和芯線,頂部芯線與矩形條相連,底部芯線外露,使其最后兩組芯線產生90°相位差,來滿足天通左旋極化特性。金屬腔體為GPS-L1定位天線主體,距離反射介質板為H2,中間為空氣介質,使用4個尼龍柱作為支撐。饋電形式采用雙饋點饋電實現圓極化,正交放置的兩個同軸探針穿過金屬腔體,探針頂端直接焊接在金屬腔體底端,探針底端焊接在反射介質基板上,兩個探針產生幅度相等,相位相差90°,來滿足GPS-L1天線右旋極化特性。

圖1 天線結構圖Fig.1 Antenna structure

最終優化的天線尺寸如下:收發天線直徑Rc=22mm,天線扇形輻射面角度Deg1=45°,內環直徑Rc=10mm,銅管距中心距離L2=4mm,銅管高度H1=40mm;定位天線金屬腔體直徑R2=105mm,金屬腔體高度H3=15mm,探針距中心距離L1=15mm,金屬腔體距離FR4反射介質板H2=5mm;反射介質板直徑R3=110mm。

2 天線仿真和結果

通過HFSS的仿真優化,最終得出收發衛星通信天線和定位天線的回波損耗曲線圖,如圖2所示。

圖2 回波損耗曲線Fig.2 Return loss curve

圖3給出了系統要求的上行和下行工作頻帶內左旋(LHCP)極化的天線方向圖,GPS-L1頻點的天線方向圖。由圖中可以看出衛星通信天線在上下行中心頻點增益達到6.5dBi,GPS-L1天線增益達到5.5dBi,具有高增益圓極化特性。

圖3 增益方向圖Fig.3 Gain pattern

3 結語

本文根據衛星通信系統和全球定位系統對天線的要求,對偶極子天線結構形式的基礎上進行了研究。使得扇形結構的天線主體作為對稱振子,具備500MHz的帶寬,在工作頻帶內具有較好的左旋極化特性,應用于衛星通信。 GPS天線通過金屬腔的形式,采用雙探針饋電,具有較高的右旋極化增益特性,波束寬度較寬的性能,該決定了終端設備在各種環境下的接收靈敏度,大大提高了衛星通信的效率和質量。該結構天線已在實際工程中得到充分驗證。