應用于北斗衛星導航的頻率選擇表面研究與設計

任 丹,易 波,陳鵬宇

(解放軍31307部隊,四川 成都 610000)

0 引 言

衛星導航在人們生活中起著越來越重要的作用[1]。北斗衛星導航系統是我國獨立研制的衛星導航系統,在我國國家安全與經濟建設中發揮著越來越重要的作用[2]。北斗導航系統L波段(1 615 MHz、1 561 MHz)用于發送短報文信息,S波段(2 491 MHz)用于接收定位信息或短報文信息[3-4]。

導航信號達到地面的功率通常在-160 dBW以下,極易受到鄰頻通信與雷達信號干擾[5]。WLAN信號、蜂窩移動通信4G信號、S波段警戒雷達信號與S波段北斗導航接收信息頻段相近,特別是在大量用頻裝備集中在有限空間時,對導航信號的干擾(帶內與帶外)無法忽略,因此需重點開展兼容性設計[6]。

本文瞄準北斗導航工作頻段兼容性需求,設計了一款具有高選擇濾波特性的基于頻率選擇表面(FSS)天線罩,在有效濾除導航接收信息頻段帶外干擾的同時,不影響導航系統發射報文信息。

1 結構設計

所設計的FSS需要在L波段1.57 GHz附近和S波段2.491 GHz附近均擁有傳輸通帶和旋轉對稱性,才能保證所設計的FSS不影響北斗導航系統正常的工作。為排除帶外頻段用頻干擾,在2個通帶之外,應為阻帶。在滿足上述要求條件下,使FSS厚度盡量薄,擴展其應用范圍。

帶通型FSS基本電路模型一般為電感電容(LC)并聯諧振網絡,即金屬層等效電路為等效電感與等效電容并聯,在金屬層上實際為金屬縫隙結構[7]。每個通帶至少對應1個傳輸極點與1個傳輸零點[8]。針對北斗導航應用的FSS擁有2個傳輸通帶,則至少包括2個傳輸極點與2個傳輸零點。

選擇合適的單元結構是設計FSS的首要步驟。FSS常見單元結構包括環形、貼片型及其組合。雙偶極子結構具有結構簡單、特性原理清晰、易于集成等特點,在微波結構設計領域有著廣泛應用[9-10]。

本文瞄準北斗2個通帶與阻帶設計目標,以雙偶極子結構為基礎,設計目標FSS單元結構。為進一步縮減單元尺寸,增強角度穩定性,在雙偶極子基礎上,利用曲流技術,將偶極子折疊[11]。所設計的FSS單元結構如圖1所示。在圖1中,FSS單元結構由單個雙偶極子依次旋轉90°、180°和270°構成。

圖1 FSS單元結構圖

2 FSS單元結構參數優化

為設計出滿足要求的頻率選擇結構,對FSS單元結構在2個頻段處的電流流動情況進行了分析。圖2給出了FSS單元結構表面電流流動路徑。從圖2(a)中可以看出,在1.568 GHz頻點,電流主要沿著電長度長枝節邊沿流動;從圖2(b)中可以看出,在2.95 GHz頻點,電流在2個支路上同向流動,兩枝節相互作用,等效縮短了電流流動路徑。上述現象說明,每個結構參數改變均會影響FSS高端通帶頻率,FSS低端頻率則主要由電長度較長枝節決定。

經綜合優化,得到所設計的FSS單元結構參數如表1所示,此時FSS傳輸特性如圖3所示。從圖3中可以看出,在1.568 GHz和2.95 GHz 2個頻點附近為傳輸通帶,在2個傳輸通帶之間,存在1個清晰的阻帶,能夠有效實現電磁兼容,滿足設計目標。

表1 FSS單元結構參數表

圖3 FSS傳輸系數

3 FSS與導航天線復合仿真分析

以常見工作于1.568 GHz頻點處導航天線(模型如圖4所示)為例,仿真分析所設計的FSS天線罩對導航天線性能的影響。圖5給出了導航天線S11參數。從圖中可以發現,導航天線除了在1.568 GHz處存在通帶外,在2.405 GHz處也存在通帶,給帶外電磁干擾提供了耦合路徑。

圖4 導航天線模型

圖5 天線S11曲線圖

圖6展示了加載FSS天線罩前后,天線的軸比變化。從圖6中可以看出,加載FSS天線罩后,導航天線軸比性能有所提升。

圖6 天線罩加載前后軸比變化

圖7展示了加載FSS天線罩前后,天線增益的變化。從圖中可以看出,加載FSS天線罩后,導航天線增益基本無變化。

圖7 天線罩加載前后增益變化

圖8展示了當頻率為2.405 GHz的平面波入射時,FSS天線罩加載前后,天線端口輸出電壓相對幅度的變化情況。從圖8中可以發現,當加載天線罩后,天線端口接收信號幅度明顯降低,最高屏蔽效能可達到18 dB。

圖8 FSS天線罩加載前后天線端口在2.405 GHz接收波形變化情況

4 結束語

本文瞄準提升北斗導航天線電磁兼容性目標,設計了一款基于FSS的天線罩。結合常見導航天線,利用CST電磁仿真軟件,仿真分析了加載FSS天線罩前后,天線軸比、S11、增益等性能的變化情況。仿真結果表明,所設計的FSS天線罩對天線性能影響較小。進一步仿真分析了在頻率為2.405 GHz平面波輻照下,天線端口接收波形的變化。結果表明,FSS天線罩對帶外干擾有明顯抑制效能。