小型化三频信标接收天线设计与验证

李少龙，李文超

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

小型化三频信标接收天线设计与验证

李少龙，李文超

(中国电波传播研究所，山东 青岛 266107)

从系统角度出发，结合实际工程应用中对GPS信标接收天线宽波束、小型化、集成化需求，设计了一副圆极化三频信标接收天线，重点进行了小型化、一体化设计，并应用电磁仿真软件Feko进行了仿真优化，设计中充分考虑了金属支撑管、安装地板对天线性能的影响。严格按照优化设计结果进行了天线加工与组装调试，并进行了方向图、增益测试，测试结果与仿真优化结果良好吻合，研究成果可直接应用于三频GPS信标接收系统。

三频信标；小型化；宽波束；矩量法；圆极化天线

0 引言

随着国内外学者对电离层观测与研究的深入，三频GPS信标接收天线在地面接收站的应用越来越广泛。由于卫星过境时间较短，导致地面站接收GPS信号的时间与范围受到严重限制。该系统3个工作频率分别为VHF频段(150 MHz)、UHF频段(400 MHz)、L频段(1 066.7 MHz)，VHF频段工作波长为2 m，用于该频段的常规圆极化天线口径为1 m×1 m，口径较大，不易于运输与布站。

因此，除了与接收机良好匹配，并可以同时接收三频段信号外，该类天线在工程应用中还有2个重要需求，即宽波束与小型化。

本文结合工程应用需求，应用矩量法分析方法，进行了导线天线、导线与面元天线分析，应用Feko仿真软件对该天线进行了仿真优化，并对实际天线进行了方向图与增益测试，实测结果与仿真结果能够良好吻合。

1 矩量法分析方法

1.1 导线天线积分方程求解方法

准确预测各种线天线性能的关键在于精确计算天线辐射体上高频电流的幅度和相位。在频率域求解天线上电流时，常用的方法是积分方程法。

Pocklington积分方程：

(1)

1.2 面元积分求解方法

在信息价值熵理论基础上，构建cps信息价值综合评价模型，通过认知学习对信息进行自适应调整筛选，有望实现从海量数据中挑选“有价值”的信息进行传输。

如图1所示，RWG矢量基函数是定义在相邻三角贴片上,是求解三角形面元的重要方法。

图1 RWG 矢量基函数数值分析标识

定义式：

(2)

待求的表面电流Js可近似表示为：

(3)

1.3 线面结合仿真注意

线-三角形连接模式(Wire-triangleAttachmentMode)，基函数在连接域的导线部分简化为脉冲基，导体部分则与RWG基函数一致。此种方法几乎适用于任何线天线与任意形状导体的表面、棱边或顶点相连的情况。

对于详细的积分方程离散化与矩阵建立在很多文献中都有论述，本文不再赘述。

2 小型化设计与优化

2.1 小型化设计

VHF频段振子总体形式与L、UHF频段相同，仍为正交偶极子，不同之处在于其末端处理。为了在有限体积内提高VHF频段辐射电阻，并减小电抗，设计中将VHF频段振子末端下折，垂直加长200mm，其基本形式如图2所示。

图2 VHF频段振子设计原理图

加载段上端与VHF振子直接相接，下端可通过绝缘支撑棒与金属底板固定，这样设计除了带来电气性能的改善外，还可避免运输阶段振子受震损伤等问题。

2.2 不平衡转换方式选择

综合考虑结构可靠性与电气稳定性，不平衡转换设计时采用硬结构平行双线，末端通过金属底板短路，形成λ/4短路传输线巴伦。支撑结构及不平衡转换原理如图3所示。

图3 不平衡转换原理示意图

2对正交振子每臂均接有一根垂直于底板的金属枝节，在4根枝节中，其中一根为硬同轴馈线，用于传输信号，另外3根可为实心金属杆。该形式的不平衡转换结构在满足电气性能的同时还能够进行结构支撑，提高天线结构与电气稳定性。

2.3 优化模型与测试模型

该三频信标天线设计时充分考虑了安装方式及支撑结构，并将中心支撑管与天线振子一同建模仿真优化，仿真模型如图4所示。根据优化结果进行试验件的加工、组装、驻波比调试与方向图、增益测试，测试件照片如图5所示。

图4 仿真优化模型

图5 实测模型照片

3 测试结果分析

本小节将仿真计算方向图与实测方向图进行比较，以便进行详细分析。各频段实测方向图与仿真方向图比较如图6～图8所示，实测增益与0dBi波束宽度如表1所示。从3个频点的方向图测试曲线可以看出：天线主波束区域测试曲线与计算曲线吻合性极高；天线背部测试曲线毛刺在150MHz、400MHz较小，在1 066.7MHz较大，主要原因是实际测试过程中使用的天线支架上带有一些金属固定件，突出部分较高且尺寸与L频段振子长度相当，导致支撑架不对称、与金属平板存在差异形成的。

图6 150 MHz方向图比较

图7 400 MHz方向图比较

图8 1 066.7 MHz方向图比较

表1 实测增益、波束宽度对照

频率/MHz增益/dBi0dBi波束宽度/(°)计算实测计算实测1507．67．331161084006．67．01381401066．76．75．9135130

4 结束语

本文针对当前GPS三频信标接收天线小型化、宽波束需求，应用Feko仿真软件对地面三频信标接收天线进行了小型化设计优化，并按照优化结果进行了实物加工、调试，以及方向图、增益测试。

研究表明，小型化设计后的天线体积只有自谐振时所需体积的1/4，总体积仅为0.5 m×0.5 m×0.4 m，波束宽度明显展宽。从方向图比较可以看出，实测方向图曲线与仿真曲线良好吻合；从表1的增益与波束宽度也可以看出，除L频段方向图背部受测试支架上金属连接件影响导致部分不对称外，实测增益、波束宽度与仿真结果吻合很好，而且优化后的天线可直接用于实际工程。

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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

李少龙，李文超.小型化三频信标接收天线设计与验证[J].无线电通信技术,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

李少龙(1984—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：短波、超短波小型化天线设计及应用。李文超(1986—)，男，硕士，工程师，主要研究方向：宽带匹配网络设计与应用研究。

TN821

A

1003-3114(2017)03-68-3