應用于衛星導航系統的多頻圓極化天線

臧志斌 ，傅 寧 ，馬 軍 ，夏傳福 ，吳小鷗 ，陳偉強

(1.國網思極神往位置服務(北京)有限公司，北京102211；2.福州大學 福建省數字電視工程研究中心，福建 福州350116)

0 引言

北斗衛星導航系統由我國自主研發，與GPS、格洛納斯和伽利略統稱為全球四大衛星導航系統。在導航系統應用上，一般通過天線發射和接收電磁波信號來實現信息的傳遞。 天線作為射頻前端部件，性能優劣直接影響衛星導航終端性能指標[1-2]。 對此，國內外專家學者提出將多個衛星導航系統融合在一起，通過多模多頻信號聯合解算，提高衛星導航終端定位精度和穩定性。

微帶天線由于重量輕、剖面低、成本低等特點，在衛星導航天線中得到廣泛應用[3]。 大多數的導航天線采用疊層結構實現多頻覆蓋[4-6]，文獻[4]采用雙層堆疊微帶天線結構覆蓋GPS 雙頻，天線采用單點耦合饋電激勵起雙頻諧振，采用高介電常數板材減小天線尺寸，但天線帶寬窄且高頻增益比較低。文獻[5]采用雙層介質間添加空氣層的結構，采用雙點饋電方式，天線帶寬略有增加，可以覆蓋北斗B3、GPS L1 及GLONASS L1 三個頻段，天線單元增益大但低仰角性能比較差。 文獻[6]同樣采用雙層堆疊結構，利用雙點耦合饋電激勵天線諧振，同時使用雙饋，利用雙饋電橋提高相位中心的穩定性，但天線并未覆蓋北斗一代發射頻段，應用性不高同時低仰角增益比較低。 文獻[7]設計了一款多點饋電四頻組合的圓極化天線，覆蓋北斗B3、GPS L1 及北斗一代收發L/S 頻段。 此類疊層微帶天線雖然覆蓋了導航天線的多個頻段，但相位中心穩定性不夠且低仰角增益比較低[8]，在某些特定需求中達不到指標要求。 文獻[9]、文獻[10]通過在天線四周設置銅片或在底部加載圓臺來提高低仰角增益，但同時增加了天線的復雜性并不易于批量加工實現。

本文設計了一款多模多頻衛星導航圓極化天線。天線覆蓋衛星導航系統的BDS-1 L/S、BDS-2 B1 和GPS L1 多頻段，適用于北斗一代衛星收發通信、北斗二代衛星定位等領域。天線結構采用微帶與螺旋結合方式，展寬方向圖波束寬度，保證低仰角衛星信號的接收效果，使天線具有更優秀的低仰角搜星能力。

1 天線結構

圖1 天線結構圖

圖2 螺旋臂展開圖

圖3 微帶天線尺寸圖

圖1(a)、(b)分別給出了天線的整體結構圖及前視圖。 天線包括兩個獨立的輻射單元：四臂螺旋單元及微帶天線單元。 四臂螺旋單元由四根相同的螺旋臂環繞在半徑為helix_r、 高度為helix_h 的圓柱上，平面展開圖如圖2 所示。其中，每根臂的長度為helix_l，寬度為helix_w，螺旋臂與水平面的夾角為β，每根臂之間的距離為helix_r×π/2。 四臂螺旋單元采用多點饋電，各螺旋臂上的電流幅度相等，相位依次為0°、90°、180°、270°，形成右旋圓極化輻射，拓寬天線的波束寬度。 微帶天線結構尺寸如圖3 所示，天線由兩層微帶貼片天線堆疊而成，其中，第一層天線輻射貼片蝕刻在邊長為s1、厚度為h1的方形陶瓷介質基片上，介電常數為10.1，天線采用矩形貼片單饋結構，輻射貼片邊長為p1，將矩形貼片適當切角使天線輻射左旋圓極化波，覆蓋北斗一代發射頻段BDS-1 L 頻段。 天線饋電點與天線中心的距離為d，切角三角形的直角邊長為c1。 第二層天線輻射貼片蝕刻在邊長為s2、厚度為h2的方形陶瓷介質基片上，其介電常數為8，輻射貼片的邊長為p2，天線采用矩形貼片中心饋電結構，在饋電位置附近開U 型槽減小天線尺寸并將矩形貼片適當切角后天線輻射右旋圓極化波，覆蓋北斗一代接收頻段BDS-1 S 頻段，貼片饋電點位于天線中心，切角三角形的直角邊長為c2。 螺旋單元與微帶單元之間的距離為h3，當螺旋單元與微帶單元之間靠得比較近時，單元間的耦合很強烈，天線的軸比性能會受到影響而急劇惡化，需要將二者距離拉開以降低互相影響。

利用電磁仿真軟件設計和仿真天線，天線優化尺寸如下(單位：mm)：s1=35.5，h1=2，p1=28.4，c1=1.2，d=3，s2=25，h2=2，p2=18.5，c2=2，a1=6.9，a2=3，r=27，h3=10，helix_r=10，helix_h=112.5 ，helix_l=137.5 ，helix_w=4，β=55°。

2 天線仿真結果

2.1 反射系數S11

利用電磁仿真軟件HFSS 仿真L/S/B1/L1 頻段輸出端口的S 參數，圖4 為天線各頻段S 參數的仿真結果。 從圖4(a)中可以看出S11小于-10 dB 的帶寬為93 MHz(1 509～1 602 MHz)，可以覆蓋北斗二代B1 頻段(1 561.098±2.046 MHz)及GPS L1 頻段(1 575.42±2.046 MHz)；從圖4(b)中可以看出S11小于-10 dB的帶寬為12 MHz(1 610～1 622 MHz)，可以覆蓋北斗一代發射頻段L 頻段(1 615.68±4.08 MHz)；從圖4(c)中可以看出S11小于-10 dB 的帶寬為70 MHz(2 453 ～2 523 MHz)，可以覆蓋北斗一代接收頻段S 頻段(2 491.75±4.08 MHz)。

2.2 軸比

圖5(a)～(d)分別對應中心頻率為1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 軸 比 仿 真 結果。 其中，虛線對應xz 面仿真結果，實線為yz 面仿真結果。 由圖可以看出在phi=0、theta=0 時，xz 面、yz 面天線的軸比均小于3 dB，在頻點1.561 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為196°，在頻點1.575 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為197°，在頻點1.616 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為102°，在頻點2.492 GHz 處的3 dB 軸比波束寬度為178°。

2.3 增益

圖4 天線S 參數曲線圖

通過電磁仿真軟件HFSS 分析天線各頻段的遠場方向圖，圖6(a)～(d)分別對應天線在中心頻率為1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 增益方向圖，從圖6 中可以看出天線在1.561 GHz 右旋圓極化增益為6.19 dB，在1.575 GHz 右旋圓極化增益為6.13 dB， 在1.616 GHz 左旋圓極化增益為3.47 dB， 在2.492 GHz 右旋圓極化增益為5.64 dB。所述各頻段主極化要求一致，且在主極化下極化增益高，方向圖波瓣寬度大，滿足衛星導航場景應用。

圖5 天線軸比曲線圖

圖6 天線增益方向圖

3 結論

本文設計了一款應用于衛星導航系統的多頻圓極化天線。天線采用螺旋結構與微帶結構相組合方式，實現北斗一代收發L/S 頻段、北斗二代B1 頻段和GPS L1 頻段的覆蓋，天線具有良好的低仰角增益， 通過螺旋結構可提高天線的低角搜星能力，同時具有更高的定位精度。仿真結果表明天線性能指標良好，滿足衛星導航應用要求，具有很好的應用前景。