多頻導航天線與小型化全向通信天線組合設計

中國西南電子技術研究所 侯祿平

目前國內外已投入運行的全球衛星導航系統有我國北斗（BD）系統、美國GPS系統、俄羅斯GLONASS系統和歐洲Galileo系統。我國北斗導航系統迅猛發展，在越來越多領域應用推廣。某艦船電子系統為了提升可靠性，需要增加北斗導航系統，并要求同時兼容GPS和GLONASS導航系統。受艦船安裝平臺的限制，增加兼容三種導航系統的天線升級改造需要在原全向通信天線位置處完成，即需要將全向通信天線和導航天線組合設計安裝，采用一個組合天線同時實現全向通信信號收發和導航信號接收。本文針對該背景，設計了一種新型的全向通信天線與多頻段導航天線集成的組合天線，達到小型化安裝要求，同時實現了兩種電子系統的功能。

高性能導航天線主要采用微帶天線。馬麗在文章《北斗導航系統的“千里眼”—多頻圓極化微帶天線》中，以及臧志斌等在文章《應用于衛星導航系統的多頻圓極化天線》中分別總結了衛星導航多頻微帶天線實現的幾種方法，包括：堆疊結構實現多頻天線，多元法實現多頻天線，縫隙加載實現多頻天線，以及加載臂結構實現多頻天線。實現全向天線的方法很多，主要有偶極子天線、單極子天線、錐天線等形式。段恒毅在論文《單圓錐天線與GPS天線的組合設計》中給出了單錐天線與GPS天線組合設計的一種方法。這種組合設計有效的解決了天線和GPS天線功能實現的問題，以及兩種功能天線相互影響的問題。但針對目前的平臺的需求，該方案存在以下不足：（1）單錐天線的高度無法滿足安裝要求，需要進一步減小高度尺寸。（2）導航天線僅支持GPS功能，無法同時兼顧三種導航系統。

為了解決上述問題，本文提出了一種新的組合設計方法。在上述單錐天線的基礎上，將全向通信天線設計為頂部中空的“同心套筒”單極子結構，套筒結構增加了電流路徑，壓縮了單極子天線的高度，從而使整個組合天線的尺寸滿足系統要求，其頂部中空部分仍可以騰出空間用于安裝導航天線。此外，采用高介電常數基板設計堆疊微帶天線，且上層微帶采用雙點饋電，并設計一層功分器為其饋電，解決多頻導航天線工作的帶寬問題和小型化問題，從而確保單極子頂部的空間足夠安裝。

1 天線組合設計

1.1 多頻段導航天線設計

為了滿足系統需要，導航天線工作于BD-B1、BD-B3、GPS-L1和GLONASS-G1幾個頻段。根據幾個頻段的分布特點，在BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3頻段各設計一個天線單元滿足帶寬需求。BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1頻段采用雙點饋電圓形微帶，以保證整個頻帶內性能指標需要。BD-B3頻段天線單元為單點饋電圓形微帶片，兩天線單元疊層放置。疊層微帶天線單元結構如圖1所示，上層是BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1頻段天線，中間層是為此天線饋電的功分器和移相器，底層是BD-B3頻段天線。

圖1 導航天線設計圖

為了達到帶寬要求和尺寸要求，BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3頻段天線單元輻射層各采用一層介電常數為10的板材。圖1中饋電層為帶狀線功分器和移相器狀線結構，采用兩層含電阻層板材層壓形成。

1.2 小型化全向天線設計

通信天線工作于L頻段，需要在方位面形成全向方向圖。本文將天線輻射體設計為頂部中空的“同心套筒”單極子和底盤兩部分，二者之間聚四氟乙烯材料作支撐，如圖2所示。中空部分用于放置導航天線及有源模塊。套筒單極子的饋電結構為剛性同軸電纜，此同軸電纜同時也是導航信號的傳輸通道。兩種天線信號在底部的信號分離器中分開。

圖2 通信天線設計圖

1.3 天線整體結構設計

組合天線的整體結構如圖3所示，通信全向天線頂部中空部分安裝導航天線和放大電路模塊。各部分零件通過螺裝完成，結構簡單。

圖3 天線整體結構

2 仿真與驗證

2.1 天線電性能仿真

對組合天線整體進行建模仿真分析。導航天線俯仰面增益方向圖如圖4(a)所示，在各個工作頻率，仰角30°增益均大于-1.6dBi，仰角60度增益均大于0.7dBi。通信天線方位面增益方向圖如圖4(b)所示，增益為0.7dBi，不圓度為0.4dB。兩種天線指標均達到系統要求。

圖4 組合天線增益方向圖

2.2 實物加工與測試驗證

通過上述仿真分析，加工制造該組合天線的實物如圖5所示。實測天線尺寸為：高度65mm，直徑180mm，滿足系統安裝要求，達到了結構設計目標。

圖5 組合天線實物

對天線實物進行電性能測試。導航天線測試結果見表1，在各工作頻率，仰角30°增益均優于-2.5dBi，仰角60°增益均優于0dBi。全向天線測試結果見表2，方位面增益為0.4dBi，不圓度為0.9dB。從測試結果表可以看到，測試值與設計值吻合良好，且都達到了系統要求的指標。

表1 導航天線指標測試結果

表2 通信天線指標測試結果

本文提出了一種多頻導航天線與全向天線組合設計方法，解決了艦船電子系統需要增加北斗、GPS、GLONSS導航功能，但又不增加安裝代價的工程難題。通過仿真分析與實物測試，驗證了本文組合設計方法的正確性。