一種適用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶圓極化天線

劉 偉任曉飛

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)是一個通過衛(wèi)星向全球范圍用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航與授時等服務(wù)的導(dǎo)航系統(tǒng),在民用和軍事領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)國際委員會公布的全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)供應(yīng)商包括美國全球定位系統(tǒng)(GPS),俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS),歐洲伽利略(GALILEO)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)。各個系統(tǒng)采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有所差異,各有優(yōu)勢。為了滿足不同使用場景的需求,具有多系統(tǒng)服務(wù)數(shù)據(jù)接收能力的導(dǎo)航終端在應(yīng)用中更具優(yōu)勢。這就要求作為導(dǎo)航終端前端設(shè)備的天線應(yīng)具有寬頻帶的特性。而據(jù)資料顯示,四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作頻率都在1.1 GHz～1.7 GHz范圍內(nèi),因此天線的阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬需覆蓋這個頻率范圍。同時,導(dǎo)航天線還需要具備右旋圓極化(RHCP)、較寬的向上輻射的圓極化波束寬度及較高前后比等特點。

圓極化天線設(shè)計時可采用單饋形式和多饋形式。雖然采用多饋點的形式可以更有效地展寬天線的圓極化帶寬,獲得更好的軸比特性,但是需要使用饋電網(wǎng)絡(luò),這就會增加天線復(fù)雜度,降低可靠性。本文采用單饋點形式設(shè)計了一款可工作于當(dāng)前所有導(dǎo)航頻段的寬帶圓極化天線,天線的構(gòu)成比較簡單,比較容易加工且成本低。

1 天線設(shè)計與分析

1.1 天線體設(shè)計

天線由輻射體和金屬反射腔體構(gòu)成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線的輻射體由2對正交放置的領(lǐng)結(jié)形對稱振子和2條圓環(huán)形90°移相線構(gòu)成,分別印刷在直徑108 mm、厚度0.817 mm、介電常數(shù)3.55、損耗角正切0.002 7 的Rogers RO4003 介質(zhì)基板上下兩側(cè)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2對正交放置的對稱振子的結(jié)構(gòu)并不完全相同,其中一對對稱振子與位于天線中心印刷在介質(zhì)板兩側(cè)的一對寬為的方形貼片相連接,并通過這對方形貼片連接同軸線饋電。通過調(diào)整這對方形貼片的尺寸,可以調(diào)節(jié)整個天線的阻抗匹配。而另一對對稱振子通過圓環(huán)形90°移相線連接到方形貼片饋電,這樣在2對正交的對稱振子間引入90°相位差,從而形成圓極化。

另外,在圓環(huán)形移相線上增加了一段長度為的開路支節(jié),以提高其在寬頻帶內(nèi)的相位穩(wěn)定性,從而改善天線的軸比特性。天線最終優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 天線結(jié)構(gòu)尺寸(mm)

1.2 金屬反射腔設(shè)計

正交對稱振子是雙向輻射的,為了降低天線輻射后瓣,形成向上的單向輻射,需要在天線輻射體的下方設(shè)計反射地板或反射腔。本設(shè)計中提出的帶隔離柵的金屬反射腔直徑為140 mm,周圍是12個均勻分布的金屬隔離柵,作用是降低天線整體高度,改善天線的軸比,展寬波束,抑制多徑干擾,提高輻射方向圖的前后比。金屬反射腔的設(shè)計過程如圖2所示,采用3種不同反射腔的曲線如圖3所示。當(dāng)采用普通的平面反射地板時,天線優(yōu)化后總體高度為=70 mm,3 dB 軸比帶寬為1.15 GHz～1.78 GHz;當(dāng)采用圓柱形金屬反射腔時,天線優(yōu)化后總體高度也是=70 mm,3 dB 軸比帶寬為1.12 GHz～1.79 GHz。這2種設(shè)計的天線總體高度較高,且軸比帶寬僅能勉強滿足帶寬需求。而采用帶有隔離柵的金屬反射腔時,優(yōu)化后天線的總體高度僅為=40 mm,3 dB 軸比帶寬為0.91 GHz～1.82 GHz,在所需頻段內(nèi)軸比都低于2 dB。此外,采用本設(shè)計中的反射腔,天線的后向輻射也是3種設(shè)計中最低的。

圖2 金屬反射腔設(shè)計過程

圖3 不同反射腔的仿真軸比曲線

2 仿真與測試結(jié)果

根據(jù)表1中天線的結(jié)構(gòu)尺寸,加工生產(chǎn)組裝出了天線樣機,如圖4所示。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的參數(shù)進行了測量,并在微波暗室中對天線的圓極化軸比和輻射方向圖進行了測試。天線仿真計算與實測的||曲線對比圖如圖5所示。從中不難看出,天線在1.1 GHz～1.9 GHz頻段內(nèi)都滿足||≤-10 dB。天線的仿真計算和實測軸比、增益曲線如圖6所示。從中不難看出,天線在所有導(dǎo)航頻段內(nèi)的軸比均低于2 dB,具有良好的圓極化特性。天線的增益曲線在整個頻帶內(nèi)比較平穩(wěn),均值約為5.5 dB。天線的實測數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果整體差異不明顯,之間的細(xì)微差別主要是由加工誤差、測試工裝及環(huán)境引入的。

圖4 天線實物圖

圖5 天線仿真和實測|S11|曲線

圖6 天線仿真和實測增益、軸比曲線

天線在1.2 GHz、1.4 GHz和1.6 GHz 3個頻點處實測與計算的面和面的歸一化方向圖如圖7所示。由圖7可以看出,天線的波束寬度較寬,在20°仰角處仍有0 dB左右的增益,天線在整個導(dǎo)航頻段內(nèi)的前后比均大于30 dB。

圖7 天線仿真和實測方向圖

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種可工作于目前所有導(dǎo)航頻段的寬帶圓極化衛(wèi)星導(dǎo)航天線。天線為單饋形式,通過圓環(huán)形移相線在2對偶極子間引入90°相位差實現(xiàn)圓極化。并設(shè)計了帶有金屬隔離柵的反射腔來降低天線整體高度,改善其軸比特性并提高前后比。實測數(shù)據(jù)表明,天線在所有導(dǎo)航頻段范圍內(nèi)低于-10 d B,軸比不超過2 d B。該天線可應(yīng)用于包括GPS、GLONASS、伽利略及北斗的各大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。