一種小型化GNSS高精度天線設計

張 闖，姚文杰，張 捷，王曉輝

一種小型化GNSS高精度天線設計

張 闖，姚文杰，張 捷，王曉輝

（深圳市華信天線技術有限公司，廣東 深圳 518055）

為了進一步滿足全球衛星導航系統（GNSS）對高精度天線寬帶化、小型化、低重量和高性能的需求,設計一款高精度平面振子天線：天線剖面高度僅20 mm、接地板直徑90 mm，采用寬帶振子方案設計，僅用一片介質基板即可實現1164～1300 MHz和1520～1610 MHz 2個頻段的諧振，可解決常規振子天線剖面高度較高的問題；天線性能在整個頻帶內較為均衡，法向增益超過4.5 dBic，并且20°仰角增益優于－0.5 dBic；接地耦合枝節的引入可改善天線總增益前后比（FBR），FBR最高接近15 dB，可提高衛星終端接收機抗多路徑能力；此外，接地耦合枝節上的寄生電流形成環形天線陣列，能夠調控天線方向圖，使得天線的低仰角增益得到提升。實驗結果表明，該天線能夠滿足對GNSS L頻段全頻點的覆蓋，可以實現高精度衛星定位功能。

全球衛星導航系統（GNSS）；高精度天線；小型化；振子天線

0 引言

2020年6月23號，我國北斗衛星導航定位系統的北斗三號衛星全球組網成功之后，實時動態測量等高精度定位技術憑借其可以提供精準時空信息的特點，正在進入并重塑多個行業。如在精準農業、測量測繪、無人駕駛、形變監測、智慧施工、駕考駕培、自動割草機等多種領域，高精度定位技術發揮著越來越大的作用，極大地提高了工作和作業效率，對行業的發展產生了重大影響[1]。為了適配更多應用場景，目前高精度定位終端設備正在向著低成本、小型化、輕量化和多功能化的方向發展[1-2]。

天線位于整個通信系統的最前端，其性能好壞會直接影響整個系統的指標。常規天線的性能參數一般包括阻抗帶寬、增益、輻射效率等指標，即要求天線端口在所滿足的頻帶范圍內具有較小的回波損耗；饋電網絡具有較低的插入損耗；天線自身還要具有較高的輻射效率[3]。全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）高精度天線是用于接收天空中的衛星信號，并對信號的載波相位進行測量的接收天線；特殊的應用場景決定了其相較于其他類型的天線有獨特的性能要求。GNSS高精度天線對輻射方向圖的波束寬度、低仰角增益、圓度、滾降系數、前后比和相位中心穩定性有特殊要求[4]。傳統上符合GNSS高精度天線所要求的寬波束、寬帶廣角圓極化和高抗多路徑特性的天線常見的有3種類型，分別是貼片天線、振子天線和四臂螺旋天線[5]。國內大多數的高精度測量測繪設備都采用了貼片型高精度天線，而國外則多采用振子型高精度天線。貼片天線剖面高度低，有利于設備小型化，但是帶寬和波束寬度一般都比較窄。振子天線帶寬和波束寬度都比較寬，但是剖面高度則比較高。

本文結合貼片和振子型高精度天線的優勢，設計一款小型化的超寬帶GNSS測量型天線，天線直徑僅為90 mm，剖面高度僅20 mm。

1 現有高精度天線方案設計

市面上現有的貼片型高精度GNSS天線一般采用上下層疊的介質作為天線載體。如圖1所示，在介質上印制金屬層作為天線輻射面，上下層貼片分別覆蓋GNSS高低頻頻段，采用圓極化饋電網絡對其饋電，整體結構較為復雜。一般可以通過增加介質厚度來擴展天線帶寬，但是相應地會增加天線的重量，也會在介質與空氣的接觸面激勵起介質表面波，造成天線輻射效率和增益下降。此外，天線性能容易受介質材料性能的影響。若采用國外高性能微波板材，成本又比較高；另外，貼片天線的性能依賴于接地板尺寸，接地板較小時天線的增益、前后比和帶寬等指標都會惡化[6-8]。

圖1 傳統貼片天線

針對貼片天線的上述缺點，文獻[5]提出了一種剖面高度僅8 mm，采用耦合饋電的空氣介質高精度貼片天線。如圖2所示，利用單層介質基板就可實現GNSS全頻段覆蓋，大大降低了天線剖面高度和重量。專利[9]提出了一種金屬鈑金件形態的寬帶GNSS天線；德國Navxperience公司也推出了類似方案的天線。如圖3所示，金屬鈑金件自身作為天線的輻射體也起到了支撐天線整體結構穩定性的作用，解決了貼片高精度天線對介質基板的介電常數和損耗角正切值等參數的依賴。空氣介質和金屬鈑金件天線方案都需要采用四饋點饋電，圓極化饋電網絡雖然比傳統層疊型貼片天線有所簡化，但是仍顯復雜。

圖2 空氣介質貼片天線

圖3 鈑金件寬帶GNSS天線

如圖4所示，振子天線工作帶寬寬，可以采用雙饋點饋電，但是剖面高度較高，通常需要在距離振子下方1/4波長位置處放置較大尺寸的反射地板，才能使天線具有較好的半球形方向圖波束和阻抗匹配特性[10]。圖中“”“”分別表示反射盒子的長、寬、高。如圖5所示，四臂螺旋天線的波束寬度寬，并且不依賴接地板尺寸大小，但是也存在剖面高度較高、帶寬窄和圓極化饋電網絡復雜的缺點[11-12]。

圖4 振子天線

圖5 四臂螺旋天線

2 小型化GNSS高精度天線設計方案

綜上所述，現有GNSS高精度天線技術方案不利于接收設備低成本、小型化和輕量化的發展趨勢[13-14]。本文提出一款小型化GNSS高精度天線，采用空氣-介質組合的小型化低剖面平面振子天線形式，用單片介質基板實現GNSS全頻段工作；剖面高度20 mm，相當于工作波長的1/12，僅為常規平面振子型GNSS高精度天線剖面高度的1/3。既具有貼片天線低剖面的特點，又具有振子天線寬帶寬波束和雙饋點饋電的優勢。天線工作的每個頻段可以覆蓋若干GNSS頻點，從而實現四大衛星導航系統全頻點覆蓋。

天線整體結構如圖6和圖7所示，2個寬帶平面偶極子天線A和B在整體結構中心呈十字交叉形放置。通過同樣十字交叉的耦合饋電巴倫A、B給對應的偶極子天線A和B饋電。天線安裝在金屬地面上，金屬地面在作為天線接地面的同時也可做為天線的反射面。圖7（a）為天線振子結構示意圖，圖7（b）為2個耦合饋電巴倫十字交叉放置的結構示意圖。饋電巴倫由微帶信號線和接地面組成，巴倫的接地面下端與金屬地面相連接；接地面上端與偶極子的2條輻射臂相連接，信號線從其中的一條輻射臂穿到另一層輻射臂，實現了耦合饋電。通過采用相位差90°的饋電網絡給饋電巴倫A和B饋電，使得偶極子天線A和B所輻射的電磁波在空間上相互正交且在相位上相差90°，從而可以實現天線對圓極化信號的接收。這種饋電形態在改善天線圓極化特性的同時擴展了天線的帶寬；與利用天線自身結構不對稱性的自相移饋電方式相比，天線相位中心更穩定[10]。

圖6 天線結構

圖7 天線示意圖

在平面振子天線周圍引入8條通過金屬螺柱接地的耦合枝節，金屬螺柱可以作為介質基板的支撐結構，使整體結構穩定可靠。螺柱和振子天線之間的容性耦合，可以起到降低天線諧振頻率（frequency，Freq）的作用。根據介質表面波的傳輸機理，在2種不同的傳輸媒介交界處電磁波可以以表面波形式傳播。對于振子型高精度天線，較小的反射面和激勵起的介質表面波會造成天線方向圖后瓣電平升高，弱化了天線抗多路徑效應的能力。接地耦合枝節可以對地板電流進行抑制，并且在空間上對金屬接地板上的表面波有衰減特性。圖8和圖9是1227和1575 MHz天線表面電流示意圖，可以看出8條接地枝節上的耦合電流形成了環形陣列；接地耦合枝節的形態和陣子之間的距離決定了耦合枝節所耦合電流的相位，因此可以通過適當調節接地耦合枝節的位置、高度和形狀對天線方向圖的波束寬度、低仰角增益等性能指標進行調整和優化。

圖8 1 227 MHz天線表面電流

圖9 1 557 MHz天線表面電流

3 實驗與結果分析

3.1 駐波仿真

仿真中采用雙饋電點給天線饋電，設置2個饋電端口幅度相同，相位相差90°即可實現天線對圓極化信號的接收。天線實物的饋電網絡可采用3 dB正交電橋實現（實物采用了RN2公司的RCP1500Q03電橋，其在1200～1700 MHz頻帶范圍內插入損耗小于0.5 dB，2個輸出端口之間相位差可以保持在90°±3°范圍內）。以下仿真結果是基于天線安裝于直徑90 mm金屬接地板上所得。如圖10所示為天線仿真回波損耗（return loss）曲線。得益于天線本體采用的寬帶偶極子天線和耦合饋電方案，無需額外的匹配網絡即可實現寬帶諧振。從仿真結果可以看出，天線具有寬頻帶特性，駐波帶寬能夠覆蓋1164～1300 MHz和1520～1610 MHz頻率，在頻帶內回波損耗小于－10dB。

圖10 天線仿真回波損耗曲線

3.2 天線輻射特性仿真

對天線輻射特性，包括方向圖，增益（gain）和軸比（axial ratio，AR）等相關指標進行仿真。如圖11所示為天線在1176、1227、1278、1561、1575、1610 MHz頻點（即GPS L5、GPS L2、BDS B3、BDS B1、GPS L1、GLONASS L1頻點）=0°和90°2個切面的仿真方向圖。從圖中可以看到天線方向圖的對稱性較好，具有較為理想的“心臟形”方向圖，且各個頻點方向圖較為相似。如圖12所示為天線在工作頻段內仿真的法向增益和20°仰角增益曲線圖。天線具有超寬帶特性，仿真結果顯示：在整個頻段內右旋圓極化增益比較均衡，除了在1164 MHz附近頻點增益約為4.7 dBic，其余頻點都約為5 dBic左右；而20°仰角增益除了在1164 MHz附近頻點約為－0.3dBic，其余頻點都大于0 dBic。由此可見，天線在保持較高的法向增益的同時，具有較高的低仰角增益。

軸比是衡量天線圓極化性能優劣的一個關鍵指標，其定義為橢圓極化的極化長軸和短軸之比，通常以分貝為單位表示。理想情況下圓極化電磁波的極化長軸和短軸大小相同，即軸比為0 dB。實際工程中不存在完全理想的圓極化天線，對于高精度GNSS天線一般要求法向軸比小于3 dB。如圖13所示為天線仿真的L1頻段和L2頻段的法向軸比曲線圖。在L1頻段天線的法向軸比約為0.8 dB，在L2頻段約為0.5 dB以內，在1217 MHz附近頻點的法向軸比僅為0.25 dB。天線表現出較好的圓極化特性，可以滿足高精度GNSS天線對軸比的要求。

圖11 天線仿真方向

圖12 天線仿真法向增益和20°仰角增益曲線

圖13 天線仿真法向增益和20°仰角增益曲線

3.3 天線測試和結果分析

在微波暗室內測試天線在工作頻帶內的波束寬度和總增益前后比等性能。具有寬波束和較高低仰角增益的高精度天線有利于接收低仰角的GNSS衛星信號，提高低仰角衛星的載波噪聲密度，進而提高定位精度。

如表1所示為天線仿真的波束寬度和總增益前后比的數據；天線在高頻和低頻的波束寬度幾乎一致，約為107°。常規貼片型高精度天線波束寬度在L2和L1頻段分別是90°和80°左右。因此在波束寬度方面，所提出的小型化GNSS高精度天線具有良好的寬波束特性，相比于常規的貼片型天線具有優勢。天線在L1頻段內總增益前后比約為11 dB，L2頻段內總增益前后比接近15 dB，表明天線具有一定的抗多路徑能力，并且隨著頻率升高，抗多徑能力逐漸增強。從仿真結果可以看出，天線在整個GNSS頻段內可以較好地接受天空半球形空域衛星信號。

表1 天線暗室實測波束寬度和前后比數據

4 結束語

本文介紹了現有的貼片、螺旋和振子型GNSS高精度天線的優缺點，并在振子天線的基礎上設計了一款剖面高度僅有20 mm、接地板直徑僅有90 mm的小型化超寬帶的高精度天線，可以實現1164～1300 MHz和1520～1610 MHz頻段的諧振。天線剖面高度僅相當于工作頻段波長的1/12，比常規陣子天線的剖面高度降低了3倍，具有低剖面和超寬帶特性。提出的小型化GNSS高精度天線在保持振子型高精度天線寬波束和寬帶寬的前提下，具有了貼片型高精度天線低剖面的特性。同時介紹了天線振子本體、十字交叉巴倫和寄生環形陣列的設計原理。仿真和實測結果表明，天線在整個頻帶內性能比較均衡，法向增益超過4.5 dBic，20°仰角增益優于－0.5 dBic，且具有較好的廣角圓極化特性。天線在小尺寸下仍然具有較好的法向增益和低仰角增益，并且高低頻方向圖顯示，波束寬度和增益等指標具有一致性，能夠滿足對全球和區域性衛星導航系統以及星基增強系統的全頻段覆蓋。天線總體設計體積小巧、性能良好、低仰角增益高，可以與多種形態的接收機集成，符合高精度定位應用需求，具有良好的應用價值。

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Design of a miniaturized GNSS high-precision antenna

ZHANG Chuang, YAO Wenjie, ZHANG Jie, WANG Xiaohui

（Harxon Corproration, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

In order to further meet the requirements of broadband, miniaturization, low weight and high performance of high-precision antenna in global navigation satellite system(GNSS), the paper designed a high-precision planar dipole antenna: the antenna adopted a broadband dipole antenna form with a profile height of only 20 mm and a ground plate diameter of 90 mm, which achieved the resonance in the 1164～1300 MHz and 1520～1610 MHz frequency bands using only one dielectric substrate, to solve the problem of high profile of conventional oscillator antenna; and the antenna performance was fairly balanced across the frequency band, with a normal gain of over 4.5 dBic and a 20° elevation gain better than －0.5 dBic; furthermore, the introduction of grounding coupling branches could improve the total gain front to back ratio (FBR) of the antenna, the highest FBR was close to 15 dB, and the anti-multipath capability of the satellite terminal receiver could be enhanced; in addition, the parasitic currents on the grounded coupling branches formed a circular antenna array, which could regulate the antenna’s radiation pattern and improve the low elevation gain of the antenna. Experimental result showed that the designed antenna could cover all GNSS frequency in L band and realize high-precision satellite positioning function.

global navigation satellite system (GNSS); high-precision antenna; miniaturization; dipole antenna

張闖，姚文杰，張捷, 等. 一種小型化GNSS高精度天線設計[J]. 導航定位學報, 2023, 11(4): 31-37.（ZHANG Chuang, YAO Wenjie, ZHANG Jie, et al. Design of a miniaturized GNSS high-precision antenna[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2023, 11(4): 31-37.）DOI:10.16547/j.cnki.10-1096.20230405.

P228

A

2095-4999(2023)04-0031-07

2023-01-08

張闖（1991—），男，河南商丘人，碩士，天線工程師，研究方向為高精度測量天線設計。