北斗衛星導航系統車載天線的設計

張 冬 楊 揚

（南昌理工學院 江西南昌 330044）

北斗衛星導航系統車載天線的設計

張 冬 楊 揚

（南昌理工學院 江西南昌 330044）

中國北斗衛星導航系統是全球第三個成熟的衛星導航系統，但與GPS系統相比，北斗的衛星軌道比較特殊，而且在軌衛星的數目較少，因此對天線的要求比較高，特別是車載天線是固定在一個位置上安裝的，不可能通過調整旋轉天線來找對一個方向，使其最大增益方向對準導航衛星來接受收信號，因此北斗系統在車載導航領域的應用還不具有優勢。我們計劃設計一種新型圓錐對數螺旋天線，實現可旋轉和仰角低的特點，更好的滿足北斗衛星車載導航系統的需求。

斗衛星導航系統 車載天線 圓錐對數螺旋天線

一、設計目標和方案論證

掌握車載天線的結構是十分必要的，按照轉軸的不同數目，天線座一共可分為五種：分別為單軸天線座、兩軸天線座、三軸天線座、四軸天線座和固定不動的天線座。其中，單軸天線座用途廣泛，尤其在用戶搜索以及引導雷達方面用途顯著；兩軸在波束窄的圓拋物面天線優勢較為突出。用于地面的一般用單軸和兩軸，車載天線用的是三軸或四軸的天線座。［1］

綜合來看，二軸的天線座有很大的優點，同時也存在很多缺點。因為車載天線會隨著車的晃動而晃動，車輛不處于準直狀態時，俯仰跟蹤軸會隨之也處于非垂直狀態。這種情況會對天線波束造成影響，使其發生扭動。因此，設計兩軸穩定跟蹤可以使其不發生偏移，但對波束的穩定不會產生很好的效果。當對追蹤的精準度要求高時，這些兩軸的設計是達不到預期效果的。

為了將貼片天線更好的適用于車載導航系統，使其在實際中得到更為廣泛的應用，研發一種可以旋轉的車載天線-圓錐對數螺旋天線，可以通過這種螺旋天線的研發獲得更好的效益，并且可以實現可旋轉和仰角低的特點。并從實際出發，將天線設計變小，提高其便攜性等。［2］

二、雙臂圓錐對數螺旋天線及設計

1.GALERKIN法

GALERKIN法是有限元方法，該方法最初由里茲提出，之后由伽遼金對其之前的方法加以改進。它的基本原理是通過在N維空間里面構造一組分段與原本相對接近的泛函，這樣只用在現在的空間中加權積分，便可以得到一組易于求解的線性代數方程，進行計算。

2.曲線三角基展開GALERKIN法檢驗矩量法

利用曲線三角基展開GALERKIN法檢驗矩量法來求天線的整個過程可以總結成下面的矩陣方程組的解，在這里面：是電流矩陣，來表示線上的電流，是激勵矩陣，是阻抗矩陣。［3］

3.雙臂圓錐對數螺旋天線的矩量解

用矩量法來分析雙臂圓錐對數螺旋天線通常分為以下三個步驟：

第一步，先描述此天線的結構，形成一種相對合適去應用矩量法的結構，對于對稱性雙臂的曲線型線天線，通常將兩個臂分為2N+1截，每一段為N段，將激勵電壓源加入中間一段，這樣做是可以利用天線的對稱性結構，少了很多繁多的計算，這樣做可以使得計算更準確，如圖1所示：

圖1　天線對稱性結構計算圖

第二步，按照曲線段三角基展開，GALERKIN法來檢驗的矩量法解阻抗的矩陣，并且要按照中心對稱矩陣這個性質來簡化我們的運算。

第三步，要解出阻抗矩陣并且還要和外加電壓矩陣作用，就要求解出線上的電流然后再求出天線的各種參數。［4］

4.雙臂圓錐對數螺旋天線的方向圖仿真

首先為了讓天線具有寬頻帶特性，就要讓螺旋的全數一定；接著我們可以依據設計頻率的范圍來確定圓錐的小端、大端直徑d和D；然后圓錐的頂角0θ和螺旋角α對方向圖以及波瓣的寬度影響非常大。一般，在α、δ數據一定的條件下，0θ越大波瓣就越寬，當0θ極小的時候，方向圖就比較窄小，但是如果很小就將會讓椎體過長；當0θ和δ一定的時候，α角度越小則波瓣就越寬；而當0θ、α一定的條件下，螺旋臂的角的寬度δ對輻射的方向圖影響并不會太明顯。［5］

方向圖，工程上可近似表達為：

其中k為自由空間傳播常數，p為相對傳播常數。

北斗系統的工作波段在S波段。S波段采用2491.75MHz的中心頻率，以及4.08MHz的帶寬。

天線設計時通常對仰角有一定要求，因為某個目的要求，40度時為最佳仰角，滿足設計要求的最大增益。為了滿足信號集中等要求，在25度-55度的仰角中，功率增益不得小于4 dB。由于天線往往部署在高處，天線的高度會影響仰角，所以對天線的高度也有一定的要求。通過上述要求，可以判斷角度擴展的設計為30度，選擇60度的包角，半功率寬度139度。由此，可以設計出如下參數的雙臂CLS天線：首先進行計算，根據已知的工作頻率來計算工作頻段波長：120mm-120.7mm；再分別對天線上端的截止半徑和天線下端的截止半徑進行計算：5.52mm和3.17mm；計算天線高度：92mm。

從圖2中，我們發現角度為40度、-45度時，可以看到最大增益，這已經達到了目標的要求。［6］

結語

圖2中心頻率下的CLS天線的歸一化方向圖

穩定性，因此大大提高了整個系統服務的精確度。但當前這些系統功能的服務知識初始階段，對于更好的研究和應用需要更進一步的努力和更多的時間。

［1］ 譚述森，北斗衛星導航系統的發展與思考，宇航學報，中國人民解放軍61081部隊，北京。2008.

［2］ 楊元喜，北斗衛星導航系統的進展、 貢獻與挑戰，中國衛星導航定位于應用管理中心，北京。

［3］ 施闖，趙齊樂，北斗衛星導航系統的精密定軌與定位研究，中國科學，地球科學，2012.

［4］ 唐旭，何秀鳳，北斗衛星導航系統高精度相對定位性能分析，導航定位學報，2013.

［5］ 王艷紅，趙文智，楊明，北斗衛星導航系統及其于民航導航的應用，計算機測量與控制，2014.

［6］ 周巍，北斗衛星導航系統的精密定位理論方法研究與實現，信息工程大學博士學位論文。