多頻段低剖面衛(wèi)星導(dǎo)航天線關(guān)鍵技術(shù)研究

劉志華

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司

0 引言

北斗三號在原來北斗二號基礎(chǔ)上增加了衛(wèi)星搜救功能和全球位置報(bào)告功能，定位精度和授時精度都有了較大提升。一方面，高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端天線是高精度相位中心天線，其相位中心的穩(wěn)定性（PCV）會顯著影響系統(tǒng)的定位精度和工作性能；另一方面，衛(wèi)星信號非常微弱，加之機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品特定的使用環(huán)境，對天線低仰角增益要求較高，故本文重點(diǎn)研究的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航天線關(guān)鍵技術(shù)為相位中心穩(wěn)定度和改善低仰角增益。

目前，北斗三號主要需求頻段有B1、B2b、B3、L、S，產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨向于小型化，天線設(shè)計(jì)也需要盡量小型化。采用微帶天線，通過單頻段的微帶天線疊層設(shè)計(jì)，使用仿真軟件優(yōu)化，可以得到小型化和低剖面的多頻段疊層天線。多頻段疊層天線，應(yīng)用在不同的實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)出的相位中心穩(wěn)定度和低仰角增益并不相同。本文仿真軟件分析及實(shí)際測試表明，不同的天線結(jié)構(gòu)及加載新的金屬結(jié)構(gòu)，可以提高天線的相位中心穩(wěn)定度以及在仰角5～10°可提高1～2 dB左右的增益，在不改變天線整體體積的情況下，有效提高了天線相位中心穩(wěn)定度以及低仰角增益。

1 原理與設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)最簡單的微帶天線是一個三層相疊的天線，由帶有金屬地板的介質(zhì)基片和輻射貼片所構(gòu)成。輻射貼片導(dǎo)體是電磁波向空間輻射的輻射源，通常是銅，理論上可取任意形狀。為了方便加工制造，通常都選用形狀比較規(guī)則的貼片，比如圓形或者方形貼片等。受限于結(jié)構(gòu)尺寸，微帶天線通過增加介質(zhì)的介電常數(shù)來實(shí)現(xiàn)小型化，北斗三號天線B2b、S、B1、B3和發(fā)射天線L疊層設(shè)計(jì)，而且B1和B3天線采用高精度天線設(shè)計(jì)，放置于結(jié)構(gòu)幾何中心，具有穩(wěn)定且較小的相位中心，為后續(xù)的RTK定位提供信號基礎(chǔ)。機(jī)載產(chǎn)品天線多與機(jī)體共型，這會導(dǎo)致天線的反射面突變，不規(guī)則發(fā)射面產(chǎn)生有害散射，導(dǎo)致天線的方向圖畸變，相位中心穩(wěn)定度變差，低仰角不圓度惡化。

1.1 改善天線相位中心穩(wěn)定度

常規(guī)的疊層式天線設(shè)計(jì)可保證相位中心、增益等電性能指標(biāo)，結(jié)合合適的地板和圍框結(jié)構(gòu)，可以有效提升低仰角增益和相位中心。本文主要采用兩種方式來改善高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端天線的相位中心穩(wěn)定度，一是采用軸向結(jié)構(gòu)高度對稱性的天線形式，二是采用多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)。利用仿真軟件能迅速找到天線PCO以及計(jì)算出相位差值，根據(jù)公式PCV=Δφ*λ/360，其中Δφ為在一定角度范圍內(nèi)相位波動峰峰值，λ為波長，根據(jù)仿真的相位方向圖可以確認(rèn)Δφ，通過以上公式可以得到相位中心穩(wěn)定度。

通過不同的天線饋點(diǎn)數(shù)目和不同的天線結(jié)構(gòu)仿真對比分析，結(jié)果如圖1所示。匯總數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 相位中心穩(wěn)定度數(shù)據(jù)匯總

圖1 不同狀態(tài)下的相位中心穩(wěn)定度仿真結(jié)果

綜上數(shù)據(jù)，地板的形狀越接近圓形，而且饋點(diǎn)數(shù)量4個或以上，相位中心穩(wěn)定度越好，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)及布局難度，使用4饋點(diǎn)饋電和圓形高臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線相位中心穩(wěn)定度滿足高精度天線設(shè)計(jì)要求。

1.2 改善天線低仰角增益

增益等于方向系數(shù)和天線效率的乘積。天線的增益衡量的是天線輻射能量集束程度和能量轉(zhuǎn)換效率的總效益。天線小型化設(shè)計(jì)，必須采用高介電常數(shù)材料，天線尺寸會有很大程度的縮減，但同時這也會惡化天線的阻抗帶寬，損耗增加，增益會降低；為了克服天線帶寬窄的缺點(diǎn)，使用厚介質(zhì)板，但Q值降低，天線效率降低，增益下降；對于圓極化微帶天線，其饋電點(diǎn)數(shù)目越多，天線的極化純度越高，軸比帶寬越寬，但饋電點(diǎn)數(shù)目的增加會同時增加天線饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，器件增加也會帶來增益損失；不規(guī)則大型金屬底板會導(dǎo)致天線方向圖畸變，0～360°方位角增益最小值變差。以上種種原因最終導(dǎo)致天線的不圓度指標(biāo)惡化，低仰角增益無法達(dá)到性能指標(biāo)要求。

一般的北斗導(dǎo)航天線下方都會有LNA模塊，借助此模塊的結(jié)構(gòu)，巧妙設(shè)計(jì)，減少不規(guī)則大型金屬底板對天線的有害散射。同時，增加圍欄加載也稱翻邊技術(shù)，是一種常用的控制波瓣寬度，有效減少不規(guī)則大地板引起的散射，減少陣元間耦合的方法。從電磁場理論可知，電磁波的輻射能力和繞射能力與波長有密切關(guān)系，所以利用鋸齒間隙可以很好地平衡不同頻率天線的性能，在仿真中也發(fā)現(xiàn)，由于鋸齒圍欄的加載，對天線陣元間隔離度也有一定改善，從而減少同頻陣元間互耦。幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

圖2 金屬底板結(jié)構(gòu)

表2 兩種結(jié)構(gòu)增益和不圓度仿真結(jié)果對比

由數(shù)據(jù)可知，b結(jié)構(gòu)天線的低仰角增益較高，不圓度指標(biāo)較好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

2 實(shí)驗(yàn)

通過軟件的優(yōu)化仿真得出天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)：圓形凸臺大小為φ200 mm，高13 mm；翻邊鋸齒狀圍欄大小為φ120 mm，高10 mm，厚度2 mm，鋸齒寬3 mm，間距2.5 mm。各個結(jié)構(gòu)件采用螺釘進(jìn)行緊固。

由圖3可見，仰角10°和5°增益分別大于-5.05和-6.21 dBi，不圓度分別為3.03 dB和3.55 dB。此外，實(shí)測的相位中心穩(wěn)定度為±1.7 mm。

圖3 天線遠(yuǎn)場測試方向

3 結(jié)束語

實(shí)物測試結(jié)果符合仿真計(jì)算且滿足工程需要，所產(chǎn)生的誤差主要來源于實(shí)際加工過程中加工誤差以及天線測試儀器導(dǎo)致的測試誤差。

本文研究的小型化機(jī)載天線及其關(guān)鍵技術(shù)，不僅擁有良好的相位中心穩(wěn)定度，而且實(shí)現(xiàn)了低仰角增益的提高。這種研究對于有高精度需求且有低仰角高增益要求的微帶天線開發(fā)具有一定的參考價值。