多频导航天线与小型化全向通信天线组合设计

中国西南电子技术研究所 侯禄平

目前国内外已投入运行的全球卫星导航系统有我国北斗（BD）系统、美国GPS系统、俄罗斯GLONASS系统和欧洲Galileo系统。我国北斗导航系统迅猛发展，在越来越多领域应用推广。某舰船电子系统为了提升可靠性，需要增加北斗导航系统，并要求同时兼容GPS和GLONASS导航系统。受舰船安装平台的限制，增加兼容三种导航系统的天线升级改造需要在原全向通信天线位置处完成，即需要将全向通信天线和导航天线组合设计安装，采用一个组合天线同时实现全向通信信号收发和导航信号接收。本文针对该背景，设计了一种新型的全向通信天线与多频段导航天线集成的组合天线，达到小型化安装要求，同时实现了两种电子系统的功能。

高性能导航天线主要采用微带天线。马丽在文章《北斗导航系统的“千里眼”—多频圆极化微带天线》中，以及臧志斌等在文章《应用于卫星导航系统的多频圆极化天线》中分别总结了卫星导航多频微带天线实现的几种方法，包括：堆叠结构实现多频天线，多元法实现多频天线，缝隙加载实现多频天线，以及加载臂结构实现多频天线。实现全向天线的方法很多，主要有偶极子天线、单极子天线、锥天线等形式。段恒毅在论文《单圆锥天线与GPS天线的组合设计》中给出了单锥天线与GPS天线组合设计的一种方法。这种组合设计有效的解决了天线和GPS天线功能实现的问题，以及两种功能天线相互影响的问题。但针对目前的平台的需求，该方案存在以下不足：（1）单锥天线的高度无法满足安装要求，需要进一步减小高度尺寸。（2）导航天线仅支持GPS功能，无法同时兼顾三种导航系统。

为了解决上述问题，本文提出了一种新的组合设计方法。在上述单锥天线的基础上，将全向通信天线设计为顶部中空的“同心套筒”单极子结构，套筒结构增加了电流路径，压缩了单极子天线的高度，从而使整个组合天线的尺寸满足系统要求，其顶部中空部分仍可以腾出空间用于安装导航天线。此外，采用高介电常数基板设计堆叠微带天线，且上层微带采用双点馈电，并设计一层功分器为其馈电，解决多频导航天线工作的带宽问题和小型化问题，从而确保单极子顶部的空间足够安装。

1 天线组合设计

1.1 多频段导航天线设计

为了满足系统需要，导航天线工作于BD-B1、BD-B3、GPS-L1和GLONASS-G1几个频段。根据几个频段的分布特点，在BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3频段各设计一个天线单元满足带宽需求。BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1频段采用双点馈电圆形微带，以保证整个频带内性能指标需要。BD-B3频段天线单元为单点馈电圆形微带片，两天线单元叠层放置。叠层微带天线单元结构如图1所示，上层是BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1频段天线，中间层是为此天线馈电的功分器和移相器，底层是BD-B3频段天线。

图1 导航天线设计图

为了达到带宽要求和尺寸要求，BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3频段天线单元辐射层各采用一层介电常数为10的板材。图1中馈电层为带状线功分器和移相器状线结构，采用两层含电阻层板材层压形成。

1.2 小型化全向天线设计

通信天线工作于L频段，需要在方位面形成全向方向图。本文将天线辐射体设计为顶部中空的“同心套筒”单极子和底盘两部分，二者之间聚四氟乙烯材料作支撑，如图2所示。中空部分用于放置导航天线及有源模块。套筒单极子的馈电结构为刚性同轴电缆，此同轴电缆同时也是导航信号的传输通道。两种天线信号在底部的信号分离器中分开。

图2 通信天线设计图

1.3 天线整体结构设计

组合天线的整体结构如图3所示，通信全向天线顶部中空部分安装导航天线和放大电路模块。各部分零件通过螺装完成，结构简单。

图3 天线整体结构

2 仿真与验证

2.1 天线电性能仿真

对组合天线整体进行建模仿真分析。导航天线俯仰面增益方向图如图4(a)所示，在各个工作频率，仰角30°增益均大于-1.6dBi，仰角60度增益均大于0.7dBi。通信天线方位面增益方向图如图4(b)所示，增益为0.7dBi，不圆度为0.4dB。两种天线指标均达到系统要求。

图4 组合天线增益方向图

2.2 实物加工与测试验证

通过上述仿真分析，加工制造该组合天线的实物如图5所示。实测天线尺寸为：高度65mm，直径180mm，满足系统安装要求，达到了结构设计目标。

图5 组合天线实物

对天线实物进行电性能测试。导航天线测试结果见表1，在各工作频率，仰角30°增益均优于-2.5dBi，仰角60°增益均优于0dBi。全向天线测试结果见表2，方位面增益为0.4dBi，不圆度为0.9dB。从测试结果表可以看到，测试值与设计值吻合良好，且都达到了系统要求的指标。

表1 导航天线指标测试结果

表2 通信天线指标测试结果

本文提出了一种多频导航天线与全向天线组合设计方法，解决了舰船电子系统需要增加北斗、GPS、GLONSS导航功能，但又不增加安装代价的工程难题。通过仿真分析与实物测试，验证了本文组合设计方法的正确性。