應(yīng)用于北斗衛(wèi)星導航的頻率選擇表面研究與設(shè)計

任 丹,易 波,陳鵬宇

(解放軍31307部隊,四川 成都 610000)

0 引 言

衛(wèi)星導航在人們生活中起著越來越重要的作用[1]。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國獨立研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng),在我國國家安全與經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。北斗導航系統(tǒng)L波段(1 615 MHz、1 561 MHz)用于發(fā)送短報文信息,S波段(2 491 MHz)用于接收定位信息或短報文信息[3-4]。

導航信號達到地面的功率通常在-160 dBW以下,極易受到鄰頻通信與雷達信號干擾[5]。WLAN信號、蜂窩移動通信4G信號、S波段警戒雷達信號與S波段北斗導航接收信息頻段相近,特別是在大量用頻裝備集中在有限空間時,對導航信號的干擾(帶內(nèi)與帶外)無法忽略,因此需重點開展兼容性設(shè)計[6]。

本文瞄準北斗導航工作頻段兼容性需求,設(shè)計了一款具有高選擇濾波特性的基于頻率選擇表面(FSS)天線罩,在有效濾除導航接收信息頻段帶外干擾的同時,不影響導航系統(tǒng)發(fā)射報文信息。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

所設(shè)計的FSS需要在L波段1.57 GHz附近和S波段2.491 GHz附近均擁有傳輸通帶和旋轉(zhuǎn)對稱性,才能保證所設(shè)計的FSS不影響北斗導航系統(tǒng)正常的工作。為排除帶外頻段用頻干擾,在2個通帶之外,應(yīng)為阻帶。在滿足上述要求條件下,使FSS厚度盡量薄,擴展其應(yīng)用范圍。

帶通型FSS基本電路模型一般為電感電容(LC)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò),即金屬層等效電路為等效電感與等效電容并聯(lián),在金屬層上實際為金屬縫隙結(jié)構(gòu)[7]。每個通帶至少對應(yīng)1個傳輸極點與1個傳輸零點[8]。針對北斗導航應(yīng)用的FSS擁有2個傳輸通帶,則至少包括2個傳輸極點與2個傳輸零點。

選擇合適的單元結(jié)構(gòu)是設(shè)計FSS的首要步驟。FSS常見單元結(jié)構(gòu)包括環(huán)形、貼片型及其組合。雙偶極子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、特性原理清晰、易于集成等特點,在微波結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[9-10]。

本文瞄準北斗2個通帶與阻帶設(shè)計目標,以雙偶極子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計目標FSS單元結(jié)構(gòu)。為進一步縮減單元尺寸,增強角度穩(wěn)定性,在雙偶極子基礎(chǔ)上,利用曲流技術(shù),將偶極子折疊[11]。所設(shè)計的FSS單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中,FSS單元結(jié)構(gòu)由單個雙偶極子依次旋轉(zhuǎn)90°、180°和270°構(gòu)成。

圖1 FSS單元結(jié)構(gòu)圖

2 FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

為設(shè)計出滿足要求的頻率選擇結(jié)構(gòu),對FSS單元結(jié)構(gòu)在2個頻段處的電流流動情況進行了分析。圖2給出了FSS單元結(jié)構(gòu)表面電流流動路徑。從圖2(a)中可以看出,在1.568 GHz頻點,電流主要沿著電長度長枝節(jié)邊沿流動;從圖2(b)中可以看出,在2.95 GHz頻點,電流在2個支路上同向流動,兩枝節(jié)相互作用,等效縮短了電流流動路徑。上述現(xiàn)象說明,每個結(jié)構(gòu)參數(shù)改變均會影響FSS高端通帶頻率,FSS低端頻率則主要由電長度較長枝節(jié)決定。

經(jīng)綜合優(yōu)化,得到所設(shè)計的FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示,此時FSS傳輸特性如圖3所示。從圖3中可以看出,在1.568 GHz和2.95 GHz 2個頻點附近為傳輸通帶,在2個傳輸通帶之間,存在1個清晰的阻帶,能夠有效實現(xiàn)電磁兼容,滿足設(shè)計目標。

表1 FSS單元結(jié)構(gòu)參數(shù)表

圖3 FSS傳輸系數(shù)

3 FSS與導航天線復合仿真分析

以常見工作于1.568 GHz頻點處導航天線(模型如圖4所示)為例,仿真分析所設(shè)計的FSS天線罩對導航天線性能的影響。圖5給出了導航天線S11參數(shù)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),導航天線除了在1.568 GHz處存在通帶外,在2.405 GHz處也存在通帶,給帶外電磁干擾提供了耦合路徑。

圖4 導航天線模型

圖5 天線S11曲線圖

圖6展示了加載FSS天線罩前后,天線的軸比變化。從圖6中可以看出,加載FSS天線罩后,導航天線軸比性能有所提升。

圖6 天線罩加載前后軸比變化

圖7展示了加載FSS天線罩前后,天線增益的變化。從圖中可以看出,加載FSS天線罩后,導航天線增益基本無變化。

圖7 天線罩加載前后增益變化

圖8展示了當頻率為2.405 GHz的平面波入射時,FSS天線罩加載前后,天線端口輸出電壓相對幅度的變化情況。從圖8中可以發(fā)現(xiàn),當加載天線罩后,天線端口接收信號幅度明顯降低,最高屏蔽效能可達到18 dB。

圖8 FSS天線罩加載前后天線端口在2.405 GHz接收波形變化情況

4 結(jié)束語

本文瞄準提升北斗導航天線電磁兼容性目標,設(shè)計了一款基于FSS的天線罩。結(jié)合常見導航天線,利用CST電磁仿真軟件,仿真分析了加載FSS天線罩前后,天線軸比、S11、增益等性能的變化情況。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計的FSS天線罩對天線性能影響較小。進一步仿真分析了在頻率為2.405 GHz平面波輻照下,天線端口接收波形的變化。結(jié)果表明,FSS天線罩對帶外干擾有明顯抑制效能。