小型化三頻信標接收天線設計與驗證

李少龍，李文超

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

小型化三頻信標接收天線設計與驗證

李少龍，李文超

(中國電波傳播研究所，山東 青島 266107)

從系統角度出發，結合實際工程應用中對GPS信標接收天線寬波束、小型化、集成化需求，設計了一副圓極化三頻信標接收天線，重點進行了小型化、一體化設計，并應用電磁仿真軟件Feko進行了仿真優化，設計中充分考慮了金屬支撐管、安裝地板對天線性能的影響。嚴格按照優化設計結果進行了天線加工與組裝調試，并進行了方向圖、增益測試，測試結果與仿真優化結果良好吻合，研究成果可直接應用于三頻GPS信標接收系統。

三頻信標；小型化；寬波束；矩量法；圓極化天線

0 引言

隨著國內外學者對電離層觀測與研究的深入，三頻GPS信標接收天線在地面接收站的應用越來越廣泛。由于衛星過境時間較短，導致地面站接收GPS信號的時間與范圍受到嚴重限制。該系統3個工作頻率分別為VHF頻段(150 MHz)、UHF頻段(400 MHz)、L頻段(1 066.7 MHz)，VHF頻段工作波長為2 m，用于該頻段的常規圓極化天線口徑為1 m×1 m，口徑較大，不易于運輸與布站。

因此，除了與接收機良好匹配，并可以同時接收三頻段信號外，該類天線在工程應用中還有2個重要需求，即寬波束與小型化。

本文結合工程應用需求，應用矩量法分析方法，進行了導線天線、導線與面元天線分析，應用Feko仿真軟件對該天線進行了仿真優化，并對實際天線進行了方向圖與增益測試，實測結果與仿真結果能夠良好吻合。

1 矩量法分析方法

1.1 導線天線積分方程求解方法

準確預測各種線天線性能的關鍵在于精確計算天線輻射體上高頻電流的幅度和相位。在頻率域求解天線上電流時，常用的方法是積分方程法。

Pocklington積分方程：

(1)

1.2 面元積分求解方法

在信息價值熵理論基礎上，構建cps信息價值綜合評價模型，通過認知學習對信息進行自適應調整篩選，有望實現從海量數據中挑選“有價值”的信息進行傳輸。

如圖1所示，RWG矢量基函數是定義在相鄰三角貼片上,是求解三角形面元的重要方法。

圖1 RWG 矢量基函數數值分析標識

定義式：

(2)

待求的表面電流Js可近似表示為：

(3)

1.3 線面結合仿真注意

線-三角形連接模式(Wire-triangleAttachmentMode)，基函數在連接域的導線部分簡化為脈沖基，導體部分則與RWG基函數一致。此種方法幾乎適用于任何線天線與任意形狀導體的表面、棱邊或頂點相連的情況。

對于詳細的積分方程離散化與矩陣建立在很多文獻中都有論述，本文不再贅述。

2 小型化設計與優化

2.1 小型化設計

VHF頻段振子總體形式與L、UHF頻段相同，仍為正交偶極子，不同之處在于其末端處理。為了在有限體積內提高VHF頻段輻射電阻，并減小電抗，設計中將VHF頻段振子末端下折，垂直加長200mm，其基本形式如圖2所示。

圖2 VHF頻段振子設計原理圖

加載段上端與VHF振子直接相接，下端可通過絕緣支撐棒與金屬底板固定，這樣設計除了帶來電氣性能的改善外，還可避免運輸階段振子受震損傷等問題。

2.2 不平衡轉換方式選擇

綜合考慮結構可靠性與電氣穩定性，不平衡轉換設計時采用硬結構平行雙線，末端通過金屬底板短路，形成λ/4短路傳輸線巴倫。支撐結構及不平衡轉換原理如圖3所示。

圖3 不平衡轉換原理示意圖

2對正交振子每臂均接有一根垂直于底板的金屬枝節，在4根枝節中，其中一根為硬同軸饋線，用于傳輸信號，另外3根可為實心金屬桿。該形式的不平衡轉換結構在滿足電氣性能的同時還能夠進行結構支撐，提高天線結構與電氣穩定性。

2.3 優化模型與測試模型

該三頻信標天線設計時充分考慮了安裝方式及支撐結構，并將中心支撐管與天線振子一同建模仿真優化，仿真模型如圖4所示。根據優化結果進行試驗件的加工、組裝、駐波比調試與方向圖、增益測試，測試件照片如圖5所示。

圖4 仿真優化模型

圖5 實測模型照片

3 測試結果分析

本小節將仿真計算方向圖與實測方向圖進行比較，以便進行詳細分析。各頻段實測方向圖與仿真方向圖比較如圖6～圖8所示，實測增益與0dBi波束寬度如表1所示。從3個頻點的方向圖測試曲線可以看出：天線主波束區域測試曲線與計算曲線吻合性極高；天線背部測試曲線毛刺在150MHz、400MHz較小，在1 066.7MHz較大，主要原因是實際測試過程中使用的天線支架上帶有一些金屬固定件，突出部分較高且尺寸與L頻段振子長度相當，導致支撐架不對稱、與金屬平板存在差異形成的。

圖6 150 MHz方向圖比較

圖7 400 MHz方向圖比較

圖8 1 066.7 MHz方向圖比較

表1 實測增益、波束寬度對照

頻率/MHz增益/dBi0dBi波束寬度/(°)計算實測計算實測1507．67．331161084006．67．01381401066．76．75．9135130

4 結束語

本文針對當前GPS三頻信標接收天線小型化、寬波束需求，應用Feko仿真軟件對地面三頻信標接收天線進行了小型化設計優化，并按照優化結果進行了實物加工、調試，以及方向圖、增益測試。

研究表明，小型化設計后的天線體積只有自諧振時所需體積的1/4，總體積僅為0.5 m×0.5 m×0.4 m，波束寬度明顯展寬。從方向圖比較可以看出，實測方向圖曲線與仿真曲線良好吻合；從表1的增益與波束寬度也可以看出，除L頻段方向圖背部受測試支架上金屬連接件影響導致部分不對稱外，實測增益、波束寬度與仿真結果吻合很好，而且優化后的天線可直接用于實際工程。

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Design and Test Verification of Minimized Tri-band Beacon Receiving Antenna

LI Shao-long，LI Wen-chao

(China Research Institute of Radio-wave Propagation，Qingdao Shandong 266107，China)

Combining with practical engineering application requirements for the wide beam，miniaturization and integration of GPS beacon receiving antenna，a compact type of circular polarized tri-band beacon antenna used for ground receiving is designed from the view of actual system.This paper mainly focuses on minimized and integrated optimization design using the simulation software of Feko.The design takes full account of the impacts of the metal support tube and the metallic mounting ground plate on the performance of the antenna.In strict accordance with the optimization design results，a tri-band beacon verification antenna is machined，and then the radiation pattern and gain are tested.The test results are in good agreement with the design and simulation.The research results can be directly applied to the tri-band GPS beacon receiving system.

tri-band beacon；minimized；wide beam；MoM；CP antenna

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.17

李少龍，李文超.小型化三頻信標接收天線設計與驗證[J].無線電通信技術,2017,43(3)：68-70,75.

[LI Shaolong，LI Wenchao.Design and Test Verification of Minimized Tri-band Beacon Receiving Antenna [J].Radio Communications Technology，2017,43(3):68-70,75.]

2017-01-09

李少龍(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：短波、超短波小型化天線設計及應用。李文超(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：寬帶匹配網絡設計與應用研究。

TN821

A

1003-3114(2017)03-68-3