一种适用于全球卫星导航系统的宽带圆极化天线

刘 伟任晓飞

(中国电子科技集团公司第二十二研究所,山东 青岛 266107)

0 引言

全球卫星导航系统(GNSS)是一个通过卫星向全球范围用户提供高质量的定位、导航与授时等服务的导航系统,在民用和军事领域都发挥着重要作用。全球卫星导航系统国际委员会公布的全球四大卫星导航系统供应商包括美国全球定位系统(GPS),俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS),欧洲伽利略(GALILEO)卫星导航系统和中国北斗卫星导航系统(BDS)。各个系统采用的技术标准有所差异,各有优势。为了满足不同使用场景的需求,具有多系统服务数据接收能力的导航终端在应用中更具优势。这就要求作为导航终端前端设备的天线应具有宽频带的特性。而据资料显示,四大卫星导航系统的工作频率都在1.1 GHz～1.7 GHz范围内,因此天线的阻抗带宽和3 dB轴比带宽需覆盖这个频率范围。同时,导航天线还需要具备右旋圆极化(RHCP)、较宽的向上辐射的圆极化波束宽度及较高前后比等特点。

圆极化天线设计时可采用单馈形式和多馈形式。虽然采用多馈点的形式可以更有效地展宽天线的圆极化带宽,获得更好的轴比特性,但是需要使用馈电网络,这就会增加天线复杂度,降低可靠性。本文采用单馈点形式设计了一款可工作于当前所有导航频段的宽带圆极化天线,天线的构成比较简单,比较容易加工且成本低。

1 天线设计与分析

1.1 天线体设计

天线由辐射体和金属反射腔体构成,结构如图1所示。天线的辐射体由2对正交放置的领结形对称振子和2条圆环形90°移相线构成,分别印刷在直径108 mm、厚度0.817 mm、介电常数3.55、损耗角正切0.002 7 的Rogers RO4003 介质基板上下两侧。

图1 天线结构图

2对正交放置的对称振子的结构并不完全相同,其中一对对称振子与位于天线中心印刷在介质板两侧的一对宽为的方形贴片相连接,并通过这对方形贴片连接同轴线馈电。通过调整这对方形贴片的尺寸,可以调节整个天线的阻抗匹配。而另一对对称振子通过圆环形90°移相线连接到方形贴片馈电,这样在2对正交的对称振子间引入90°相位差,从而形成圆极化。

另外,在圆环形移相线上增加了一段长度为的开路支节,以提高其在宽频带内的相位稳定性,从而改善天线的轴比特性。天线最终优化后的结构尺寸如表1所示。

表1 天线结构尺寸(mm)

1.2 金属反射腔设计

正交对称振子是双向辐射的,为了降低天线辐射后瓣,形成向上的单向辐射,需要在天线辐射体的下方设计反射地板或反射腔。本设计中提出的带隔离栅的金属反射腔直径为140 mm,周围是12个均匀分布的金属隔离栅,作用是降低天线整体高度,改善天线的轴比,展宽波束,抑制多径干扰,提高辐射方向图的前后比。金属反射腔的设计过程如图2所示,采用3种不同反射腔的曲线如图3所示。当采用普通的平面反射地板时,天线优化后总体高度为=70 mm,3 dB 轴比带宽为1.15 GHz～1.78 GHz;当采用圆柱形金属反射腔时,天线优化后总体高度也是=70 mm,3 dB 轴比带宽为1.12 GHz～1.79 GHz。这2种设计的天线总体高度较高,且轴比带宽仅能勉强满足带宽需求。而采用带有隔离栅的金属反射腔时,优化后天线的总体高度仅为=40 mm,3 dB 轴比带宽为0.91 GHz～1.82 GHz,在所需频段内轴比都低于2 dB。此外,采用本设计中的反射腔,天线的后向辐射也是3种设计中最低的。

图2 金属反射腔设计过程

图3 不同反射腔的仿真轴比曲线

2 仿真与测试结果

根据表1中天线的结构尺寸,加工生产组装出了天线样机,如图4所示。用矢量网络分析仪对天线的参数进行了测量,并在微波暗室中对天线的圆极化轴比和辐射方向图进行了测试。天线仿真计算与实测的||曲线对比图如图5所示。从中不难看出,天线在1.1 GHz～1.9 GHz频段内都满足||≤-10 dB。天线的仿真计算和实测轴比、增益曲线如图6所示。从中不难看出,天线在所有导航频段内的轴比均低于2 dB,具有良好的圆极化特性。天线的增益曲线在整个频带内比较平稳,均值约为5.5 dB。天线的实测数据与仿真计算结果整体差异不明显,之间的细微差别主要是由加工误差、测试工装及环境引入的。

图4 天线实物图

图5 天线仿真和实测|S11|曲线

图6 天线仿真和实测增益、轴比曲线

天线在1.2 GHz、1.4 GHz和1.6 GHz 3个频点处实测与计算的面和面的归一化方向图如图7所示。由图7可以看出,天线的波束宽度较宽,在20°仰角处仍有0 dB左右的增益,天线在整个导航频段内的前后比均大于30 dB。

图7 天线仿真和实测方向图

3 结束语

本文设计了一种可工作于目前所有导航频段的宽带圆极化卫星导航天线。天线为单馈形式,通过圆环形移相线在2对偶极子间引入90°相位差实现圆极化。并设计了带有金属隔离栅的反射腔来降低天线整体高度,改善其轴比特性并提高前后比。实测数据表明,天线在所有导航频段范围内低于-10 d B,轴比不超过2 d B。该天线可应用于包括GPS、GLONASS、伽利略及北斗的各大卫星导航系统。