廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 張華福 馬大堅(jiān) 李庚祿 李曉鵬 謝柏棟

一種新型梯形開(kāi)槽全頻段高精度測(cè)量型天線(xiàn)的設(shè)計(jì)

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 張華福 馬大堅(jiān) 李庚祿 李曉鵬 謝柏棟

本文通過(guò)設(shè)計(jì)研究新型梯形開(kāi)槽，加載耦合線(xiàn)，軸向?qū)ΨQ(chēng)四饋點(diǎn)饋電方式的測(cè)量型天線(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算仿真，結(jié)果表明，這種開(kāi)槽耦合方式在一定程度上擴(kuò)展了天線(xiàn)的阻抗帶寬，使得天線(xiàn)獲得了很寬的頻帶，在L1頻段具有140MHz的帶寬，在L2頻段具有180MHz的帶寬，使得天線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)GPS：L1、L2、L5，GLONASS：L1、L2，北斗：B1、B2、B3和Galileo：L1、L2全頻段衛(wèi)星的接收，同時(shí)，這種天線(xiàn)有較寬的軸比帶寬，實(shí)現(xiàn)了天線(xiàn)良好的圓極化性能和較強(qiáng)的抑制多路徑效應(yīng)的能力，并且低仰角有較高的增益，能更好地接收到低仰角衛(wèi)星，為高精度衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備供了重要的應(yīng)用價(jià)值。

天線(xiàn)；寬頻帶；高精度；圓極化；軸比；開(kāi)槽

前言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全時(shí)空、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)地提供導(dǎo)航、定位和授時(shí)的特點(diǎn),因此在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)研究、災(zāi)害防控以及軍事領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用,世界各主要大國(guó)都競(jìng)相發(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1,2,3]。根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)特征及GNSS應(yīng)用原理,利用GPS、GLONASS、北斗和GALILEO進(jìn)行組合導(dǎo)航,可以使接收機(jī)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)目大大增加,從而有利于縮短定位時(shí)間、減小多路徑誤差,提高定位的精度。特別是在城市峽谷、密林深處等信號(hào)受到嚴(yán)重遮擋的情況下這種優(yōu)勢(shì)很明顯,從而可以免受單一衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的制約[4-9]。而采用多頻組合導(dǎo)航可以補(bǔ)償電離層延時(shí),進(jìn)而提高定位測(cè)量精度[10,11]?？梢?jiàn)用于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航的天線(xiàn)的科技含量很高,其中雙頻寬帶、能夠同時(shí)覆蓋多個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航星座的特性尤其重要,也是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)所在。

基于上述考慮,本文提出一款新型全頻段高精度測(cè)量型天線(xiàn)的設(shè)計(jì),能滿(mǎn)足同時(shí)接收GPS:L1、L2、L5; GLONASS:L1、L2;北斗:B1、B2、B3和GALILEO:L1、L2衛(wèi)星信號(hào),并且具有較寬的增益帶寬和軸比帶寬,有較大的抗多路徑能力,為促進(jìn)高精度衛(wèi)星導(dǎo)航終端設(shè)備的發(fā)展具有重大意義。

1 線(xiàn)設(shè)計(jì)

天線(xiàn)采用雙層微帶貼片疊層結(jié)構(gòu),其俯視結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中L1層產(chǎn)生接收GPS:L1、GLONASS:L1、北斗:B1、GALILEO:L1信號(hào),L2層產(chǎn)生接收GPS:L2、L5、GLONASS:L2、北斗:B2、B3、GALILEO: L2信號(hào)。微帶天線(xiàn)是諧振式天線(xiàn),微帶貼片的長(zhǎng)度大約是介質(zhì)波長(zhǎng)的1/2。天線(xiàn)的輻射貼片中矩形貼片大小由下式給出[7]:

圓形貼片的大小由下式給出:

其中,c為光在真空中的傳播速度,L為微帶矩形貼片的實(shí)際長(zhǎng)度,h是基片的厚度,是由邊緣效應(yīng)引起的電納可用延伸長(zhǎng)度,為基板相對(duì)介電常數(shù)。

圖1 天線(xiàn)俯視圖

貼片天線(xiàn)由于其饋電探針?biāo)鶐?lái)的感性電抗使得貼片天線(xiàn)的帶寬很難超過(guò)10%,而梯形開(kāi)槽的方式可以有效降低這種感性電抗使得天線(xiàn)的阻抗帶寬得到展寬。同時(shí),這種環(huán)形開(kāi)槽的方式保持了圓形貼片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。普通的貼片天線(xiàn)都在半波長(zhǎng)諧振,天線(xiàn)的尺寸在半波長(zhǎng)左右,而短路墻加載的方式使得天線(xiàn)在四分之一波長(zhǎng)諧振,可以有效減小貼片天線(xiàn)的尺寸。

2 仿真結(jié)果

通過(guò)理論計(jì)算和HFSS高頻電磁軟件仿真,采用均勻?qū)ΨQ(chēng)的四饋點(diǎn)饋電,使天線(xiàn)具有穩(wěn)定的相位中心,相位中心偏差減小,使得天線(xiàn)具有較高的定位精度。通過(guò)計(jì)算饋電的位置,使每個(gè)饋點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)幅度相等,相位相差90度的正交諧振模式,仿真優(yōu)化其位置,使得天線(xiàn)能拓展其工作帶寬,實(shí)現(xiàn)全頻段接收。選取合理的開(kāi)槽,可使天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)圓極化的工作狀態(tài)。

圖2 天線(xiàn)S11參數(shù)

圖2是天線(xiàn)在L1、L2頻段內(nèi)的S11參數(shù),從圖中可以看出,天線(xiàn)在1.5GHz到1.64GHz頻率范圍內(nèi)S11參數(shù)小于10,在1.1GHz到1.28GHz頻率范圍內(nèi)S11參數(shù)小于10,說(shuō)明了天線(xiàn)合理的饋點(diǎn)和開(kāi)槽拓展了阻抗帶寬,使天線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全頻段衛(wèi)星的接收。

圖3 天線(xiàn)增益性能

天線(xiàn)的增益是天線(xiàn)性能的關(guān)鍵,往往很多天線(xiàn)的頂點(diǎn)增益不高,低仰角增益偏低,使得天線(xiàn)裝置在接收機(jī)設(shè)備中信噪比偏低,很難接收到低仰角的衛(wèi)星,定位精度差。圖3是天線(xiàn)在L1頻段、L2頻段內(nèi)的增益,從圖中可以看出,天線(xiàn)在L1頻段內(nèi),其頂點(diǎn)位置的增益為6.4dBi,低仰角±90度位置的增益為-3.3dBi,在L2頻段內(nèi),其頂點(diǎn)位置的增益為6.5dBi,低仰角±90度位置的增益為-5dBi。一般接收機(jī)要求天線(xiàn)頂點(diǎn)的增益大于5dBi,低仰角±90度位置的增益不低于-6dBi才能保證整機(jī)的高精度良好性能。本天線(xiàn)的合理開(kāi)槽和在槽的底部加上耦合線(xiàn),使得天線(xiàn)的電磁能量得到良好輻射,提升了天線(xiàn)的總體增益,保證了天線(xiàn)在低仰角有較高的增益,滿(mǎn)足了接收機(jī)的要求。

圖4 天線(xiàn)軸比性能

圖4是天線(xiàn)在L1頻段、頻段時(shí)的軸比性能,圖中表明,天線(xiàn)在L1頻段時(shí),從仰角-82°到86°之間軸比低于3dB,在L2時(shí),從仰角-110°到112°之間軸比低于3dB,說(shuō)明天線(xiàn)在此角度內(nèi)軸比性能很好,較寬的軸比帶寬,很好地實(shí)現(xiàn)了圓極化性能。L1層和L2層的開(kāi)槽方式具有良好的對(duì)稱(chēng)性,改善了天線(xiàn)的波束寬度,使得天線(xiàn)輻射單元有較寬的軸比帶寬。軸比性能的好壞,決定了測(cè)量型天線(xiàn)的抑制多路徑效應(yīng)的能力,一般來(lái)說(shuō),要求天線(xiàn)的軸比帶寬在-60°到60°之間,圖4顯示的較寬的軸比帶寬,說(shuō)明天線(xiàn)有很強(qiáng)的抑制多路徑效應(yīng)的能力。

3 結(jié)論

本天線(xiàn)采用傳統(tǒng)的雙層結(jié)構(gòu),通過(guò)采用新型開(kāi)槽、耦合方式,拓展了天線(xiàn)的阻抗帶寬,在L1頻段具有140MHz的帶寬,在L2頻段具有180MHz的帶寬,使得天線(xiàn)能實(shí)現(xiàn)GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全頻段衛(wèi)星的接收。同時(shí)加載耦合線(xiàn)激勵(lì),使得天線(xiàn)的電磁能量得到良好輻射,提升了天線(xiàn)的總體增益,保證了天線(xiàn)在低仰角有較高的增益,能更好地接收到低仰角衛(wèi)星。軸向?qū)ΨQ(chēng)性開(kāi)槽和四饋點(diǎn)饋電改善了天線(xiàn)的波束寬度,使天線(xiàn)具有較寬的軸比帶寬,具有較強(qiáng)的抑制多路徑效應(yīng)的能力,并具有穩(wěn)定的相位中心,使得天線(xiàn)在遮擋等惡劣的環(huán)境仍然具有高精度測(cè)量的能力。新型的寬頻帶、高精度天線(xiàn)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了對(duì)多頻段、多星座衛(wèi)星接收的要求,為GNSS高精度測(cè)量行業(yè)提供了重要保證。

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張華福（1985—），男，廣東茂名人，碩士，廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司基礎(chǔ)研究院射頻工程師。