一種有源高帶外抑制導航天線設計

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(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

一種有源高帶外抑制導航天線設計

張艷梅,李峰,徐曉松,吳嬋娟

(北京自動化控制設備研究所,北京100074)

設計了一種有源高帶外抑制導航天線,能夠有效抑制彈上數據鏈天線的高功率干擾,適應彈上復雜電磁環境。

有源天線;帶外抑制;導航系統;干擾

0 引言

隨著現代科學技術的高速發展,作戰環境趨于復雜化和多樣化,以及彈體本身的小型化,彈上電子設備的數量和種類不斷增加,集成度越來越高,彈上設備距離減小,信號空間衰減變弱,使電磁環境日益復雜。在這種復雜的電磁環境中,衛星導航接收天線會受到來自其他設備的直接干擾,例如慣導、電源、遙測設備、數據鏈、安控設備、制導機設備等[1-3]。衛星信號功率非常微弱,這些設備的干擾都會通過衛星接收天線進入衛星接收機,輕則抬高接收機的噪底,造成接收機信噪比下降；重則直接導致衛星接收機搜星異常,定位失敗。

衛星導航系統依靠電磁活動實現其功能,容易受到電磁環境的影響。文獻[4-6]研究了對于蓄意干擾的主動防御,通過天線陣列設計和抗干擾算法實現對干擾來向的辨識和抗干擾;文獻[7-8]研究了載體對導航以及定位設備的影響。而對于彈上設備之間的相互電磁干擾問題研究甚少,減小系統內部及系統間的電磁干擾,保證通信系統的正常工作是一個現實而又迫切的關鍵問題,電子信息裝備間的電磁兼容問題日益突出，如何使我們所設計的衛星導航天線在這種復雜的電磁環境中正常工作,是一個亟待解決的問題。本文設計一款GPS導航天線,能夠在彈上近距離數據鏈設備高功率發射下正常工作。

1 天線建模

1.1 微帶天線原理

根據微帶天線理論[9],貼片單元寬度a的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數、輻射阻抗及輸入阻抗。考慮到要兼顧輻射效率和避免產生高次模,通常要求寬度a滿足式(1)的要求

(1)

1.2 天線建模

本文所設計的GPS導航天線結構如圖1所示。頂層為微帶天線輻射貼片,貼片的邊長為a,貼片上等邊三角形切角的邊長為b,中間為微波復合介質板,介質板的外形尺寸為L1×W1,調諧貼片的外形尺寸為L×W,天線所使用板材為泰州旺靈公司的TP-2,其介電常數εr=6.0,厚度為h,最下層為天線的金屬基板。

(a) 俯視圖(a) Top view

(b) 側視圖(b) Side view 圖1 天線結構Fig.1 Antenna geometry

衛星接收天線首先得滿足右旋圓極化工作。圓極化實現方式有多種[10-13]，包括：1)單饋法；2)雙饋法；3)多元法；4)微帶行波線陣法。本文采用單饋法，通過破壞天線的平衡性來實現圓極化。這種方法主要基于空腔模型理論,利用簡并模分離單元產生2個輻射正交極化的簡并模工作。這種方法的關鍵在于確定幾何微擾,即選擇簡并模分離單元的大小和位置,以及恰當的饋電點。無需外加的相移網絡和功率分配器,結構簡單,成本低,實現方案多樣,適用于各種形狀的貼片[14]。本文中采用三角形微擾配合同軸饋電位置來實現2個正交極化,通過與饋電點的配合,從而實現右旋圓極化。

2 設計與仿真分析

本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真軟件進行建模仿真。首先對GPS導航天線進行了設計仿真,在此基礎上,對數據鏈天線的工作頻段以及與導航天線之間的距離進行了場景建設與仿真。通過仿真得知2個天線之間的隔離度,進一步為有源電路部分的設計做指導。

導航天線輻射貼片的邊長a確定了該天線的工作頻點GPS L1的頻率為1575.42MHz,邊長a越大,頻點越向低頻偏移,a越小,頻點越向高頻偏移。通過式(1)計算得a=46.6mm,在HFSS 13.0軟件中進一步仿真和優化確定下來的尺寸為a=46mm。介質板外形尺寸為某型號表面共形確定的尺寸,具體為L1=60mm,W1=52mm。調諧貼片主要用于輻射貼片的輻射阻抗匹配,具體尺寸通過仿真分析確定,仿真結果為L=4mm,W=1.5mm。介質板厚度h=4mm,圖2所示為軟件中的仿真模型。

圖2 在軟件中的仿真模型Fig.2 The simulated antenna mode

圖3、圖4所示為仿真環境下該天線的性能曲線。

圖3 GPS L1工作頻點的反射系數Fig.3 The return loss for the antenna at GPS L1

從圖3可以看出,該天線在1.55～1.60GHz范圍內的反射系數S11均小于-10dB,工作帶寬為50MHz以上,完全覆蓋了GPS L1的頻帶,所以能夠很好地工作在該頻段。

圖4 GPS L1的E面方向圖Fig.4 The radiation pattern for the antenna at GPS L1

圖4中,在GPS L1頻點,該天線的頂向增益為6.02dB,其上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導航天線對方向圖的要求。

以上為天線的無源輻射部分的仿真性能。天線有源部分的設計摒棄傳統的“放大-濾波-放大”的模式,采用“濾波-放大-濾波”模式。在低噪聲放大器之前先加一級濾波器,能夠起到抑制帶外干擾,防止進入低噪聲放大器功率過強,達到或者超過低噪聲放大器的1dB壓縮點而導致飽和,引起失效。前級濾波器的正確選型能夠進一步抑制數據鏈天線對GPS工作頻段內的干擾。在此我們前級濾波器選擇了帶外抑制較好的RFM公司的產品SF1186K-3,在3.0GHz處的抑制為59dB,如圖5所示。

圖5 SF1186K-3頻率響應曲線Fig.5 Frequency response plots of SF1186K-3

低噪聲放大器的選擇也比較重要,在保證對工作頻帶內信號有效放大的同時,需要盡量大的1dB壓縮點,在此選擇了Wanton公司的某款放大器,可以保證1dB壓縮點為-25dBm。結合所選擇的有源電路部分的元器件,進行分析,具體分析如下。

仿真中為了進一步確認該GPS導航天線與數據鏈天線之間的隔離度,仿真模擬了工作在3.0GHz頻點的數據鏈天線。

為了進一步計算2個天線之間的隔離度問題模擬仿真的一款數據鏈天線的反射系數如圖6所示,可以看出,該天線的S11在2.92～3.12GHz內均小于-10dB,該天線的仿真結果可用作分析參考。

圖6 數據鏈天線在3.0GHz的反射系數Fig.6 The return loss for the antenna at 3.0GHz

圖7所示為在彈上導航天線與數據鏈天線的相對位置,中心間距D=80mm。

圖7 GPS天線和數據鏈天線Fig.7 The GPS antenna and data link antenna

從圖8可以看出,GPS天線和數據鏈天線在3.0GHz頻點的隔離度為34.6dB。

圖8 兩個天線之間的互耦Fig.8 The mutual coupling for the two antenna

圖9中,GPS天線在3.0GHz處的增益為-16.4dB。

圖9 GPS天線在1.575GHz和3.0GHz處的增益Fig.9 Gain at 1.575GHz and 3.0GHz of GPS antenna

圖10中,數據鏈天線在3.0GHz處的增益為5.9dB。

圖10 數據鏈天線在1.575GHz和3.0GHz處的增益Fig.10 Gain at 1.575GHz and 3.0GHz of data link antenna

在確定了數據鏈天線在1575.42MHz處的增益、GPS天線本身的增益以及GPS天線與數據鏈天線之間的隔離度之后,需要進一步考慮自由空間傳輸損耗。

自由空間傳輸損耗Lfs定義為[15]

Lfs(dB)= 32.44+20lgd(km)+

20lgf(MHz)-GT-GR

(1)

其中,d為距離(km),f為工作頻率(MHz),GT為發射天線的增益,GR為接收天線的增益。將GPS天線與數據鏈天線之間的距離D=80mm代入式(1)中的d,f=3000MHz,GT=5.9dB(見圖10仿真結果),GR=-16.4dB(見圖9仿真結果),計算得Lfs=30.54dB。數據鏈信號在3.0GHz處的衰減為30.54dB。GPS天線和數據鏈天線在3.0GHz頻點的隔離度為34.6dB(見圖8);低噪放前級濾波器SF1186K-3在3.0GHz頻帶帶外抑制能力為59dB;假設最壞的情況,數據鏈在3.0GHz的發射功率為10W(40dBm),所以進入低噪放前級的數據鏈信號強度為:40-30.54-34.6-59=-84.14dBm,低于低噪放的輸入1dB壓縮點-25dBm,低噪放未飽和,工作正常。同時由于低噪放采用的是“濾波-放大-濾波”模式,前級濾波器的正確選型保證了GPS天線在數據鏈天線干擾的情況下正常工作;后級濾波器對插損沒有苛刻的要求,選擇帶外抑制比較好的濾波器,保證數據鏈信號進入衛星接收機前端時信號強度小于-130dBm,保障接收機的正常工作。

3 樣機制作、測試與實驗驗證

用HFSS 13.0進行仿真分析后,對該模型進行加工。圖11所示為按照軟件仿真加工出來的天線貼片。圖12所示為實際加工、裝配出來的GPS L1導航天線。該天線使用聚四氟乙烯材料作為天線罩,該材料具有良好的透波性能,可加工性強。

圖11 仿真天線的實際加工圖Fig.11 Actual processing object

圖12 實物裝配圖Fig.12 The prototype for the antenna

天線貼片加工完成之后,在同軸饋電點位置焊上連接器進行測試。因為板材介電常數和厚度的公差導致實測時工作頻點偏離仿真結果,通過對敷銅層圖形的切割,對該天線貼片進行調試。調試后該天線的反射系數曲線如圖13所示,為使用矢量網絡分析儀E5061B測量的該天線實物在GPS L1頻點的反射系數。由結果可以看出，該天線單元的反射系數在-19dB以下,能夠很好地工作在GPS L1頻點。

圖13 實物天線在BD2B3頻點的反射系數Fig.13 Measured return loss for the antenna at BD2B3

加工出來的實物經過實際彈上安裝實驗之后,在數據鏈天線工作的情況下,該GPS導航天線工作正常,性能不受影響,能夠適應彈上如此近距離的電磁干擾。

4 結論

本文通過對彈上導航天線和數據鏈天線的精準建模仿真,并通過無源天線貼片和有源電路之間的有效配合,減小2個天線之間的相互干擾。為集成度高、電子設備數量和種類多、設備之間距離小、電磁環境復雜的彈上導航裝置的設計提供了一種行之有效的方法。

[1] 蔡仁鋼.電磁兼容原理、設計和預測技術[M].北京:北京航空航天大學出版社, 1997.

[2] 沙斐.機電一體化系統的電磁兼容技術[M].北京:中國電力出版社, 1999.

[3] 白同云，呂曉燕.電磁兼容設計[M].北京:北京郵電大學出版社, 2001.

[4] 向培勝.GPS抗干擾技術綜述[J].電訊技術, 2009, 49(10):93-96.

[5] 周樂柱, 李斗, 郭文嘉.衛星通信多波束天線綜述[J].電子學報, 2001, 29(6):824-828.

[6] 黨明杰.自適應調零天線技術在組合導航抗干擾中的應用[J].全球定位系統, 2008, 33(3):32-36.

[7] 宗顯政.平臺與天線的一體化電磁建模及工程實踐研究[D].成都:電子科技大學，2008.

[8] 臧家偉, 王學田, 柳柏林,等.車載體及地面環境對天線電磁特性的影響研究[J].微波學報, 2014(s2):77-80.

[9] 林昌祿.天線工程手冊[M].北京：電子工業出版社，2002.

[10] 林昌祿, 宋錫明.圓極化天線[M].北京:人民郵電出版社，1986.

[11] Gupta K C, Benalla A.Microstrip antenna design[M].Artech House, 1988.

[12] Wong K L, Lin Y F.Circularly polarised microstrip antenna with a tuning stub[J].Electronics Letters, 1998, 34(9): 831-832.

[13] Lu J H, Tang C L, Wong K L.Circular polarisation design of a single-feed equilateral-triangular microstrip antenna[J].Electronics Letters, 1998, 34(4): 319-321.

[14] 薛睿峰, 鐘順時.微帶天線圓極化技術概述與進展[J].電波科學學報, 2002, 17(4):331-336.

[15] 范博.射頻電路原理與實用電路設計[M].北京:機械工業出版社, 2006.

AnActiveAntennaofHighoutofBandRejectionforNavigationSystem

ZHANGYan-mei,LIFeng,XUXiao-song,WUChan-juan

(BeijingInstituteofAutomaticControlEquipment,Beijing100074,China)

An active antenna of high out of band rejection is presented, which can inhibit the high power jamming from the data link effectively.This antenna can well adapt to the complex electromagnetic environment on Missile.

Active antenna; Out of band rejection; Navigation system; Jamming

2017-04-01；

：2017-06-20

：張艷梅(1984-)，女，工程師，主要從事導航天線方面的研究。E-mail:zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.05.015

U666.12

：A

：2095-8110(2017)05-0089-05