臧志斌 ,傅 宁 ,马 军 ,夏传福 ,吴小鸥 ,陈伟强
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北斗卫星导航系统由我国自主研发,与GPS、格洛纳斯和伽利略统称为全球四大卫星导航系统。在导航系统应用上,一般通过天线发射和接收电磁波信号来实现信息的传递。 天线作为射频前端部件,性能优劣直接影响卫星导航终端性能指标[1-2]。 对此,国内外专家学者提出将多个卫星导航系统融合在一起,通过多模多频信号联合解算,提高卫星导航终端定位精度和稳定性。
微带天线由于重量轻、剖面低、成本低等特点,在卫星导航天线中得到广泛应用[3]。 大多数的导航天线采用叠层结构实现多频覆盖[4-6],文献[4]采用双层堆叠微带天线结构覆盖GPS 双频,天线采用单点耦合馈电激励起双频谐振,采用高介电常数板材减小天线尺寸,但天线带宽窄且高频增益比较低。文献[5]采用双层介质间添加空气层的结构,采用双点馈电方式,天线带宽略有增加,可以覆盖北斗B3、GPS L1 及GLONASS L1 三个频段,天线单元增益大但低仰角性能比较差。 文献[6]同样采用双层堆叠结构,利用双点耦合馈电激励天线谐振,同时使用双馈,利用双馈电桥提高相位中心的稳定性,但天线并未覆盖北斗一代发射频段,应用性不高同时低仰角增益比较低。 文献[7]设计了一款多点馈电四频组合的圆极化天线,覆盖北斗B3、GPS L1 及北斗一代收发L/S 频段。 此类叠层微带天线虽然覆盖了导航天线的多个频段,但相位中心稳定性不够且低仰角增益比较低[8],在某些特定需求中达不到指标要求。 文献[9]、文献[10]通过在天线四周设置铜片或在底部加载圆台来提高低仰角增益,但同时增加了天线的复杂性并不易于批量加工实现。
本文设计了一款多模多频卫星导航圆极化天线。天线覆盖卫星导航系统的BDS-1 L/S、BDS-2 B1 和GPS L1 多频段,适用于北斗一代卫星收发通信、北斗二代卫星定位等领域。天线结构采用微带与螺旋结合方式,展宽方向图波束宽度,保证低仰角卫星信号的接收效果,使天线具有更优秀的低仰角搜星能力。
图1 天线结构图
图2 螺旋臂展开图
图3 微带天线尺寸图
图1(a)、(b)分别给出了天线的整体结构图及前视图。 天线包括两个独立的辐射单元:四臂螺旋单元及微带天线单元。 四臂螺旋单元由四根相同的螺旋臂环绕在半径为helix_r、 高度为helix_h 的圆柱上,平面展开图如图2 所示。其中,每根臂的长度为helix_l,宽度为helix_w,螺旋臂与水平面的夹角为β,每根臂之间的距离为helix_r×π/2。 四臂螺旋单元采用多点馈电,各螺旋臂上的电流幅度相等,相位依次为0°、90°、180°、270°,形成右旋圆极化辐射,拓宽天线的波束宽度。 微带天线结构尺寸如图3 所示,天线由两层微带贴片天线堆叠而成,其中,第一层天线辐射贴片蚀刻在边长为s1、厚度为h1的方形陶瓷介质基片上,介电常数为10.1,天线采用矩形贴片单馈结构,辐射贴片边长为p1,将矩形贴片适当切角使天线辐射左旋圆极化波,覆盖北斗一代发射频段BDS-1 L 频段。 天线馈电点与天线中心的距离为d,切角三角形的直角边长为c1。 第二层天线辐射贴片蚀刻在边长为s2、厚度为h2的方形陶瓷介质基片上,其介电常数为8,辐射贴片的边长为p2,天线采用矩形贴片中心馈电结构,在馈电位置附近开U 型槽减小天线尺寸并将矩形贴片适当切角后天线辐射右旋圆极化波,覆盖北斗一代接收频段BDS-1 S 频段,贴片馈电点位于天线中心,切角三角形的直角边长为c2。 螺旋单元与微带单元之间的距离为h3,当螺旋单元与微带单元之间靠得比较近时,单元间的耦合很强烈,天线的轴比性能会受到影响而急剧恶化,需要将二者距离拉开以降低互相影响。
利用电磁仿真软件设计和仿真天线,天线优化尺寸如下(单位: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°。
利用电磁仿真软件HFSS 仿真L/S/B1/L1 频段输出端口的S 参数,图4 为天线各频段S 参数的仿真结果。 从图4(a)中可以看出S11小于-10 dB 的带宽为93 MHz(1 509~1 602 MHz),可以覆盖北斗二代B1 频段(1 561.098±2.046 MHz)及GPS L1 频段(1 575.42±2.046 MHz);从图4(b)中可以看出S11小于-10 dB的带宽为12 MHz(1 610~1 622 MHz),可以覆盖北斗一代发射频段L 频段(1 615.68±4.08 MHz);从图4(c)中可以看出S11小于-10 dB 的带宽为70 MHz(2 453 ~2 523 MHz),可以覆盖北斗一代接收频段S 频段(2 491.75±4.08 MHz)。
图5(a)~(d)分别对应中心频率为1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 轴 比 仿 真 结果。 其中,虚线对应xz 面仿真结果,实线为yz 面仿真结果。 由图可以看出在phi=0、theta=0 时,xz 面、yz 面天线的轴比均小于3 dB,在频点1.561 GHz 处的3 dB 轴比波束宽度为196°,在频点1.575 GHz 处的3 dB 轴比波束宽度为197°,在频点1.616 GHz 处的3 dB 轴比波束宽度为102°,在频点2.492 GHz 处的3 dB 轴比波束宽度为178°。
图4 天线S 参数曲线图
通过电磁仿真软件HFSS 分析天线各频段的远场方向图,图6(a)~(d)分别对应天线在中心频率为1.561 GHz、1.575 GHz、1.616 GHz 和2.492 GHz 的 增益方向图,从图6 中可以看出天线在1.561 GHz 右旋圆极化增益为6.19 dB,在1.575 GHz 右旋圆极化增益为6.13 dB, 在1.616 GHz 左旋圆极化增益为3.47 dB, 在2.492 GHz 右旋圆极化增益为5.64 dB。所述各频段主极化要求一致,且在主极化下极化增益高,方向图波瓣宽度大,满足卫星导航场景应用。
图5 天线轴比曲线图
图6 天线增益方向图
本文设计了一款应用于卫星导航系统的多频圆极化天线。天线采用螺旋结构与微带结构相组合方式,实现北斗一代收发L/S 频段、北斗二代B1 频段和GPS L1 频段的覆盖,天线具有良好的低仰角增益, 通过螺旋结构可提高天线的低角搜星能力,同时具有更高的定位精度。仿真结果表明天线性能指标良好,满足卫星导航应用要求,具有很好的应用前景。