一種適用于全球衛星導航系統的寬帶圓極化天線

劉 偉任曉飛

(中國電子科技集團公司第二十二研究所,山東 青島 266107)

0 引言

全球衛星導航系統(GNSS)是一個通過衛星向全球范圍用戶提供高質量的定位、導航與授時等服務的導航系統,在民用和軍事領域都發揮著重要作用。全球衛星導航系統國際委員會公布的全球四大衛星導航系統供應商包括美國全球定位系統(GPS),俄羅斯全球衛星導航系統(GLONASS),歐洲伽利略(GALILEO)衛星導航系統和中國北斗衛星導航系統(BDS)。各個系統采用的技術標準有所差異,各有優勢。為了滿足不同使用場景的需求,具有多系統服務數據接收能力的導航終端在應用中更具優勢。這就要求作為導航終端前端設備的天線應具有寬頻帶的特性。而據資料顯示,四大衛星導航系統的工作頻率都在1.1 GHz～1.7 GHz范圍內,因此天線的阻抗帶寬和3 dB軸比帶寬需覆蓋這個頻率范圍。同時,導航天線還需要具備右旋圓極化(RHCP)、較寬的向上輻射的圓極化波束寬度及較高前后比等特點。

圓極化天線設計時可采用單饋形式和多饋形式。雖然采用多饋點的形式可以更有效地展寬天線的圓極化帶寬,獲得更好的軸比特性,但是需要使用饋電網絡,這就會增加天線復雜度,降低可靠性。本文采用單饋點形式設計了一款可工作于當前所有導航頻段的寬帶圓極化天線,天線的構成比較簡單,比較容易加工且成本低。

1 天線設計與分析

1.1 天線體設計

天線由輻射體和金屬反射腔體構成,結構如圖1所示。天線的輻射體由2對正交放置的領結形對稱振子和2條圓環形90°移相線構成,分別印刷在直徑108 mm、厚度0.817 mm、介電常數3.55、損耗角正切0.002 7 的Rogers RO4003 介質基板上下兩側。

圖1 天線結構圖

2對正交放置的對稱振子的結構并不完全相同,其中一對對稱振子與位于天線中心印刷在介質板兩側的一對寬為的方形貼片相連接,并通過這對方形貼片連接同軸線饋電。通過調整這對方形貼片的尺寸,可以調節整個天線的阻抗匹配。而另一對對稱振子通過圓環形90°移相線連接到方形貼片饋電,這樣在2對正交的對稱振子間引入90°相位差,從而形成圓極化。

另外,在圓環形移相線上增加了一段長度為的開路支節,以提高其在寬頻帶內的相位穩定性,從而改善天線的軸比特性。天線最終優化后的結構尺寸如表1所示。

表1 天線結構尺寸(mm)

1.2 金屬反射腔設計

正交對稱振子是雙向輻射的,為了降低天線輻射后瓣,形成向上的單向輻射,需要在天線輻射體的下方設計反射地板或反射腔。本設計中提出的帶隔離柵的金屬反射腔直徑為140 mm,周圍是12個均勻分布的金屬隔離柵,作用是降低天線整體高度,改善天線的軸比,展寬波束,抑制多徑干擾,提高輻射方向圖的前后比。金屬反射腔的設計過程如圖2所示,采用3種不同反射腔的曲線如圖3所示。當采用普通的平面反射地板時,天線優化后總體高度為=70 mm,3 dB 軸比帶寬為1.15 GHz～1.78 GHz;當采用圓柱形金屬反射腔時,天線優化后總體高度也是=70 mm,3 dB 軸比帶寬為1.12 GHz～1.79 GHz。這2種設計的天線總體高度較高,且軸比帶寬僅能勉強滿足帶寬需求。而采用帶有隔離柵的金屬反射腔時,優化后天線的總體高度僅為=40 mm,3 dB 軸比帶寬為0.91 GHz～1.82 GHz,在所需頻段內軸比都低于2 dB。此外,采用本設計中的反射腔,天線的后向輻射也是3種設計中最低的。

圖2 金屬反射腔設計過程

圖3 不同反射腔的仿真軸比曲線

2 仿真與測試結果

根據表1中天線的結構尺寸,加工生產組裝出了天線樣機,如圖4所示。用矢量網絡分析儀對天線的參數進行了測量,并在微波暗室中對天線的圓極化軸比和輻射方向圖進行了測試。天線仿真計算與實測的||曲線對比圖如圖5所示。從中不難看出,天線在1.1 GHz～1.9 GHz頻段內都滿足||≤-10 dB。天線的仿真計算和實測軸比、增益曲線如圖6所示。從中不難看出,天線在所有導航頻段內的軸比均低于2 dB,具有良好的圓極化特性。天線的增益曲線在整個頻帶內比較平穩,均值約為5.5 dB。天線的實測數據與仿真計算結果整體差異不明顯,之間的細微差別主要是由加工誤差、測試工裝及環境引入的。

圖4 天線實物圖

圖5 天線仿真和實測|S11|曲線

圖6 天線仿真和實測增益、軸比曲線

天線在1.2 GHz、1.4 GHz和1.6 GHz 3個頻點處實測與計算的面和面的歸一化方向圖如圖7所示。由圖7可以看出,天線的波束寬度較寬,在20°仰角處仍有0 dB左右的增益,天線在整個導航頻段內的前后比均大于30 dB。

圖7 天線仿真和實測方向圖

3 結束語

本文設計了一種可工作于目前所有導航頻段的寬帶圓極化衛星導航天線。天線為單饋形式,通過圓環形移相線在2對偶極子間引入90°相位差實現圓極化。并設計了帶有金屬隔離柵的反射腔來降低天線整體高度,改善其軸比特性并提高前后比。實測數據表明,天線在所有導航頻段范圍內低于-10 d B,軸比不超過2 d B。該天線可應用于包括GPS、GLONASS、伽利略及北斗的各大衛星導航系統。