引向单元加载的球形弧面测量型天线

王冠君，朱 良，吴兴军

引向单元加载的球形弧面测量型天线

王冠君1,2，朱 良1，吴兴军1

（1. 上海海积信息科技股份有限公司，上海 201702；2. 东南大学 网络空间安全学院，南京 211100）

针对传统测量型卫星导航天线成本高昂、体积大和质量较重等问题，为推广高精度导航和位置服务在各类新领域的推广和应用，研究了覆盖北斗三号全球卫星导航系统（BDS-3）及全球卫星导航系统（GNSS）全频段的测量型天线。天线主辐射体为圆球形的弧面薄片结构，其周围加载了由竖直和水平弧形金属结构组成的引向单元，还包括覆盖天线整个工作带宽的高效率阻抗匹配网络和低损耗功分、高相位平衡度馈电网络。仿真和实测结果表明天线相对工作带宽达到了32%以上，BDS-3及GNSS频段的增益均在4.5 dB以上，并展现出优异的右旋圆极化辐射特性和抗多路径能力。对天线平均相位中心位置进行了准确标定，结合测绘级接收机实现双天线近10 mm的定位精度和小于0.12°定向准确度。

测量型天线；球形弧面辐射体；引向单元；高精度定位和定向

0 引言

2020年6月23日，北斗三号全球卫星导航系统即北斗三号（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）最后一颗卫星在西昌卫星发射中心成功升空，正式标志BDS-3完成全球组网，拥有30颗卫星的BDS-3已成为国家综合时空体系建设的核心基础。从北斗卫星导航（区域）系统即北斗二号（BeiDou navigation satellite（regional）system, BDS-2）的亚太地区服务范围升级到BDS-3全球覆盖，对BD-3的载噪比、数据完整率、多路径效应、电离层延迟、定位精度等评估指标的研究如雨后春笋般涌现[1-5]。全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）由全球服务范围、区域服务范围的导航卫星系统和星基增强系统（satellite-based augmentation system, SBAS）组成。其中，全球服务范围的导航卫星系统包括中国BDS-3、美国全球定位系统（global positioning system, GPS）、欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）；区域服务范围导航卫星系统包括日本准天顶卫星系统（quasi-zenith satellite system, QZSS）、印度区域卫星导航系统（Indian regional navigational satellite system, IRNSS）等；SBAS包括美国广域增强系统、欧洲静地轨道导航重叠服务系统和北斗星基增强系统等等，其具体频段分布和信号带宽如图1所示。现基于GNSS的高精度定位、导航和授时服务在智能交通、增强现实、变形监测、精密农业等众多领域都有重要应用，甚至说GNSS的应用领域并不受技术的限制，而是受人类想象力的限制[6]。

图1 GNSS频率分布和其信号带宽

GNSS测量型卫星导航天线性能直接影响到卫星导航接收机的测量精度，相比传统测量型天线，低成本接收机的天线存在抗多径能力较差、天线相位中心不够稳定等问题。智能手机等低成本接收机的飞速发展，使得连续性、完好性、高精度成为其新的定位需求，而阻碍厘米级定位技术在移动终端等低成本接收机中发展的主要因素之一就是天线[7]。伴随小鹏、蔚来智能网联汽车的兴起，百度、高德精密高精度地图的应用普及和“5G+北斗高精度导航”技术的融合，不同应用领域对基于GNSS的高精度定位需求也愈加旺盛，同时也对GNSS测量型天线提出了低成本、小型化、全系统宽频段、高精度等各类要求。

GNSS测量型天线重要特征体现在3点：①其相位中心随卫星信号入射的方位角、俯仰角和随工作频段的变化而变动较小，且能够和天线几何中心重合；②只接收水平面以上的卫星信号（高度截止角为5°或10°），并能够有效抑制其他入射方向的信号（抗多路径能力）；③远场圆极化辐射[8]等。鉴于上述特点常采用的天线形式有中心轴线对称的四馈点微带天线[9]、四臂螺旋天线[10-11]、双臂圆锥螺旋天线[12]、三角形十字交叉阵子天线[13-14]等。不同于上述天线构造类型，本文提出一种小型化、可覆盖GNSS全频段的超宽带测量型天线，包括中心处的球形弧面辐射体、引向单元、阻抗匹配网络、馈电网络和低噪声放大电路等；天线直径仅为121 mm，高度为25 mm；仿真和实测结果表明天线可覆盖GNSS全部工作带宽，且表现出优异的右旋圆极化辐射特性、高辐射和高匹配效率、稳定的相位中心和高前后比（front back ratio, FBR）；天线相对工作带宽达到了32%以上，BDS-3及GNSS其他频段的增益均达到了4.5 dB以上。

1 天线设计原理

连续运行参考站（continuously operating reference stations, CORS）天线常采用介质基板较厚的叠层微带天线作为阵元，选用由多圈扼流槽和扼流环构成的金属底座[8,15]或由多个周期性单元构成的电磁带隙（electromagnetic band gap, EBG）[16-17]结构作为阵元基座，这类结构形式的天线可有效抑制表面波的散射，实现超强的抗多路径能力，但其体积大、质量重、价格昂贵，不利于当下基于GNSS各类高精度定位和导航应用的推广。本文中的天线采用弧面状薄片结构作为主辐射体，一体式辐射体结构形状可保证相位中心高程分量在不同频段下的高度稳定性（即其相位中心的垂直位移量随工作频段变化极小），其成本低、质轻、体积小，并通过引向单元的加载获得优异的圆极化辐射性能和抗多路径能力。

1.1 主辐射体

主辐射体是一块圆球形的弧面状薄片（图2中心部分），结合金属反射板（图2圆形部分）可实现上半空间辐射，配合阻抗匹配网络能够覆盖GNSS全部工作带宽（1164～ 1610 MHz）；天线共有4个馈电点（位于圆弧边中心），对4个馈电端口采用等幅、依次正交的激励方式，实现右旋圆极化辐射的同时，还可提高天线在不同方位角的相位中心稳定性。主辐射体具体的结构尺寸和方程轨迹可由方程组式（1）描述的三维结构得到。

式（1）中的单位均为mm，第1个方程式为沿x轴延伸，半径为24 mm的圆柱体；第2个表示半径40 mm上半球体；2个方程式通过布尔相交运算、z轴90°旋转和复制、布尔联合运算后得到的三维结构外表面，即是圆球形弧面状结构。该球形弧面结构直径为74.16 mm，高度为25 mm。

1.2 引向单元

拓宽天线圆极化波束宽度可捕获更多卫星数，有利于减小位置精度衰减因子（position dilution of precision, PDOP），提高导航和定位精度；提高天线前后比，可更好抑制水平面附近和以下入射方向的卫星信号，提高天线抗多路径能力，减小实际相关峰引起的误差。为拓宽天线波束宽度和提高前后比，在主辐射体周围加载了8个竖直和水平弧形结构组成的引向单元，相隔圆周45°均匀分布（均为铜材质，参考图2）。为验证引向单元对圆极化辐射性能和抗多路径能力的提高效果，对有、无引向单元加载的情况进行了模拟仿真。从图3中的、切面磁场强度分布可看出，该引向单元与中心球形弧面结构之间形成了强烈的耦合作用，在竖直部分和水平圆弧结构周围的位置，磁场强度明显强于未加载引向单元的情况；这种耦合效果在低仰角方向附近可增强天线场强的辐射效果，改善低仰角附近的圆极化辐射性能[14]，降低了低仰角附近的轴比和提高了前后比值。

图3 有、无引向单元情况下不同切面的磁场强度分布

图4为天线在加载和不加载引向单元情况下，天线在1227.6 MHz和1575.42 MHz频点处的远场轴比曲线和圆极化增益曲线。仿真结果表明，相对于未加载8个引向单元的情况，天线的前后比在2个频点处分别增加了5 dB和10 dB左右；另外，天线的圆极化波束宽度得到拓宽，1575.42 MHz频点处的轴比波束宽度得到大幅度改善。通过多次优化得到引向单元距离中心轴线57.5 mm，竖直部分的高度为16 mm，直径为6 mm，水平弧形结构内、外径分别为54.5 mm和60.5 mm，同心角度为38°。

图4 天线远场轴比和总增益仿真曲线

1.3 阻抗匹配和馈电网络

天线的仿真史密斯（Smith）阻抗圆图曲线如图5（a）所示，天线输入阻抗随着频率升高，其虚部阻抗由感性逐渐变成容性，实部值一直较高。为设计出宽带化阻抗匹配网络，对输入阻抗的散射（S）参数进行阻抗匹配网络仿真，频率覆盖范围为1.1～1.8 GHz。经分析和优化后得到的原理图如图5（b）所示。天线输出端口并联1=0.5 pF电容和串联1=22 nH电感，再经过一段共面波导（coplanar waveguide, CPW）传输线匹配到源阻抗=50 Ω。仿真中CPW传输线采用相对介电常数r=4.4、切角损耗tan=0.02的环氧树脂板材作为介质基板，该介质基板的厚度=1 mm，表面铜箔厚度=0.035 mm，CPW传输线长度=39 mm，线宽=0.2 mm，与参考地间隙=0.6 mm。

图5 天线输入阻抗Smith圆及其原理

阻抗匹配仿真后得到的Smith阻抗圆图和回波损耗曲线如图6（a）和图6（b）所示，天线在1166～ 1607 MHz频段内实现宽带化阻抗匹配，带内回波损耗均小于-9.29 dB，相对于中心频点1400 MHz达到了近32%相对工作带宽。为实现等幅、相位依次正交的四路馈电网络，采用180°混合网络和2个90°混合耦合器方式，其中180°混合网络可实现宽带化等幅功分、180°相移，90°混合耦合器可实现宽带化功分、90°正交相移，其原理图如图7（a）所示，图中还包含图5（b）的阻抗匹配网络，并将其扩展到四端口的形式。实验结果：90°混合耦合器采用RN2公司RCP1500Q03器件，其在1200～1700 MHz工作频段内插损小于0.25 dB，正交相位平衡度在±3°以内。由此实现的版图如图7（b）所示，版图所采用的介质基板及CPW传输线和仿真模型保持一致，0.5 pF电容和22 nH电感分别采用村田（Murata）公司封装为40 mil×20 mil的叠层陶瓷电容和60 mil×30 mil的高值空心绕线电感，负载选用国巨（Yageo）公司封装为40 mil×20 mil的51 Ω电阻。mil为英制长度单位，1 mil=0.0254 mm。180°混合网络的设计方法这里不再详述。

图6 阻抗匹配仿真后的天线输入阻抗

图7 阻抗匹配网络和馈电网络的原理图和版图

2 实验结果

2.1 馈电网络测试结果

对阻抗变换和馈电网络的版图进行了加工，首先对馈电网络（不含阻抗匹配网络）进行了测试，从表1和表2中看出，所有频点的插损均小于6.9 dB, 除1166 MHz频点处最大相位差达到100.2°外，其余频段的相位差较90°都小于7.5°，这为保证天线高辐射效率、优异的圆极化辐射特性和相位中心稳定性提供了良好保障。

表1 馈电网络各端口插损

表2 馈电网络端口间相位差

2.2 天线远场测试结果

天线结构中心的球形圆弧薄片采用洋白铜材质，由冲压工艺结构实现，对天线在不同频率下的轴比、FBR、半功率波束宽度和右旋圆极化增益进行了测试（图8）。GNSS频带内天线的输出驻波比均小于2，1.2～1.61 GHz频段内输出驻波比小于1.5，表现出了优异的宽带阻抗匹配特性。图8（a）中FBR在1.2 GHz为11 dB左右，随着频率的升高FBR逐渐升高到15 dB甚至20 dB以上，天线抗多路径信号能力逐渐增强；天线在低频的半功率波束宽度达到90°甚至95°以上，高频处的半功率波束宽度也均大于80°，在32%的相对带宽范围内的旋圆极化增益均在4.5 dB以上，大部分频点均在5 dB以上（本文主要关注BDS-3和GNSS频段，实际右旋圆极化增益大于4.5dB的带宽超过38%），顶点处的轴比基本小于1 dB，天线表现出超宽带化的高辐射效率和圆极化辐射特性，可很好满足测量型高精度天线的所有重要特征。

图8 天线实测远场参数

2.3 相位中心标定

天线相位中心是指天线辐射电磁场的远场分量等效地由这点辐射出去，辐射的电磁波为一理想球面，但实际使用的测量型天线相位中心既非天线几何中心,也不是一个稳定的点,而是与入射信号仰角、方位角、信号频率和天线形式有关的一个区域[18]。为实现高精度定位和定向测量，需对天线的相位中心位置准确标定。通过对不同方位角下的右旋圆极化相位曲线（选取视在角度140°，即水平面20°以上的仰角范围），采用最小二乘法计算，得出以底面反射板中心（参考图2）为坐标原点的平均相位中心三维坐标（,,），即平均相位中心偏差（phase center offset, PCO）。从表3中可看出，实测PCO的位置与仿真结果最大差值为0.6 mm，且距离中心轴线的位置（,=0）均小于1 mm，仿真和实测结果表现出高度一致性，PCO随频率的变化较小，距离中心轴线的距离均小于1 mm，表征天线相位中心误差引入的定位、定向偏差小。

表3 仿真和实测得到的PCO三维坐标

2.4 定位、定向测试

为验证本文提出的BDS-3测量型天线定位、定向的精确度和准确性能，对天线进行了静态差分定位、定向测试。由于到达地面的卫星导航信号非常微弱（电平值-130～-140 dBm），为使其能够达到后端接收机进行正常解调所需的电平，在印刷电路板（printed circuit board, PCB）背面配置了增益约为40 dB、噪声系数为1 dB左右的低噪声放大电路。实验中将2个完全相同的有源天线放置顶楼天台位置进行测试，选取了1台测绘级接收机（内置NOVATEL617D移动站板卡，可接收四系统全频段信号）与2个天线输出端口相连，从网络接收厘米级差分数据服务进行定位、定向解算。对实验采集的4 h数据进行处理分析，其定位和定向精度结果如图9所示。图9中定位结果显示水平定位误差接近10 mm，定向角度的偏差小于0.12°，表明该测量型天线表现出了高精度定位、高准确度定向特性。

图9 双天线定位、定向结果

3 结束语

本文提出了一款覆盖BDS-3及GNSS频段的超宽带测量型天线，详细阐述了天线主辐射体、引向单元、抗匹配网络和馈电网络的设计原理和实现方法。仿真和实测结果表明，天线展现出了优异的前后比、右旋圆极化辐射特性和宽带高增益特性等。对天线相位中心进行了准确标定，双天线定位和定向结果表明天线极具高精度定位和定向的工程应用价值，为“5G+北斗高精度导航”以及智能网联自动驾驶等领域提供了优秀的备选天线方案，但文中馈电网络端口之间的正交相位平衡度还有待进一步改善。

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Spherically cambered surface surveying antenna loading with director elements

WANG Guanjun1,2, ZHU Liang1, WU Xingjun1

（1. Shanghai High Gain Technology and Information Corporation, Ltd., Shanghai 201702, China;2. School of Cyber Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 211100, China）

Aiming at the problems of high cost, large volume and heavy weight of traditional satellite navigation surveying antenna, in order to promote the popularization and application of high precision navigation and location service in various new fields, a surveying antenna covering the whole frequency band of BeiDou-3 navigation satellite System(BDS-3) and Global Navigation Satellite System(GNSS) was investigated. The antenna comprises a spherically cambered surface radiator, loads with vertical and horizontal arc-shaped metal structures, and contains a high-efficiency impedance matching network and a feed network with low insertion loss and high phase balance covering the whole working bandwidth as well. Simulation and experimental results showed that the relative operating bandwidth of the antenna exceeded 32%, gain of all the bands of BDS-3 and GNSS was above 4.5 dB, and excellent right-handed circularly polarized radiation characteristics and prominent anti-multipath capability were exhibited. The position of the average phase center of the antenna was calibrated accurately, the positioning accuracy was close to 10 mm and the orientation accuracy was less than 0.12°conducted with a survey receiver and two antennas.

surveying antenna; spherically cambered surface radiator; director elements; high-precision positioning and orienting

TN828.5

A

2095-4999(2021)06-0016-08

王冠君，朱良，吴兴军. 引向单元加载的球形弧面测量型天线[J]. 导航定位学报, 2021, 9(6): 16-23.（WANG Guanjun, ZHU Liang, WU Xingjun. Spherically cambered surface surveying antenna loading with director elements[J]. Journal of Navigation and Positioning, 2021, 9(6): 16-23.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20210603.

2021-02-09

王冠君（1991—），男，安徽六安人，博士研究生，工程师，研究方向为北斗军用天线、GNSS测量型天线、电台超短波天线、射频通道技术等。