張 冬 楊 揚

（南昌理工學(xué)院 江西南昌 330044）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)車載天線的設(shè)計

張 冬 楊 揚

（南昌理工學(xué)院 江西南昌 330044）

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是全球第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，但與GPS系統(tǒng)相比，北斗的衛(wèi)星軌道比較特殊，而且在軌衛(wèi)星的數(shù)目較少，因此對天線的要求比較高，特別是車載天線是固定在一個位置上安裝的，不可能通過調(diào)整旋轉(zhuǎn)天線來找對一個方向，使其最大增益方向?qū)?zhǔn)導(dǎo)航衛(wèi)星來接受收信號，因此北斗系統(tǒng)在車載導(dǎo)航領(lǐng)域的應(yīng)用還不具有優(yōu)勢。我們計劃設(shè)計一種新型圓錐對數(shù)螺旋天線，實現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)和仰角低的特點，更好的滿足北斗衛(wèi)星車載導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。

斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 車載天線 圓錐對數(shù)螺旋天線

一、設(shè)計目標(biāo)和方案論證

掌握車載天線的結(jié)構(gòu)是十分必要的，按照轉(zhuǎn)軸的不同數(shù)目，天線座一共可分為五種：分別為單軸天線座、兩軸天線座、三軸天線座、四軸天線座和固定不動的天線座。其中，單軸天線座用途廣泛，尤其在用戶搜索以及引導(dǎo)雷達方面用途顯著；兩軸在波束窄的圓拋物面天線優(yōu)勢較為突出。用于地面的一般用單軸和兩軸，車載天線用的是三軸或四軸的天線座。［1］

綜合來看，二軸的天線座有很大的優(yōu)點，同時也存在很多缺點。因為車載天線會隨著車的晃動而晃動，車輛不處于準(zhǔn)直狀態(tài)時，俯仰跟蹤軸會隨之也處于非垂直狀態(tài)。這種情況會對天線波束造成影響，使其發(fā)生扭動。因此，設(shè)計兩軸穩(wěn)定跟蹤可以使其不發(fā)生偏移，但對波束的穩(wěn)定不會產(chǎn)生很好的效果。當(dāng)對追蹤的精準(zhǔn)度要求高時，這些兩軸的設(shè)計是達不到預(yù)期效果的。

為了將貼片天線更好的適用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)，使其在實際中得到更為廣泛的應(yīng)用，研發(fā)一種可以旋轉(zhuǎn)的車載天線-圓錐對數(shù)螺旋天線，可以通過這種螺旋天線的研發(fā)獲得更好的效益，并且可以實現(xiàn)可旋轉(zhuǎn)和仰角低的特點。并從實際出發(fā)，將天線設(shè)計變小，提高其便攜性等。［2］

二、雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線及設(shè)計

1.GALERKIN法

GALERKIN法是有限元方法，該方法最初由里茲提出，之后由伽遼金對其之前的方法加以改進。它的基本原理是通過在N維空間里面構(gòu)造一組分段與原本相對接近的泛函，這樣只用在現(xiàn)在的空間中加權(quán)積分，便可以得到一組易于求解的線性代數(shù)方程，進行計算。

2.曲線三角基展開GALERKIN法檢驗矩量法

利用曲線三角基展開GALERKIN法檢驗矩量法來求天線的整個過程可以總結(jié)成下面的矩陣方程組的解，在這里面：是電流矩陣，來表示線上的電流，是激勵矩陣，是阻抗矩陣。［3］

3.雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線的矩量解

用矩量法來分析雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線通常分為以下三個步驟：

第一步，先描述此天線的結(jié)構(gòu)，形成一種相對合適去應(yīng)用矩量法的結(jié)構(gòu)，對于對稱性雙臂的曲線型線天線，通常將兩個臂分為2N+1截，每一段為N段，將激勵電壓源加入中間一段，這樣做是可以利用天線的對稱性結(jié)構(gòu)，少了很多繁多的計算，這樣做可以使得計算更準(zhǔn)確，如圖1所示：

圖1　天線對稱性結(jié)構(gòu)計算圖

第二步，按照曲線段三角基展開，GALERKIN法來檢驗的矩量法解阻抗的矩陣，并且要按照中心對稱矩陣這個性質(zhì)來簡化我們的運算。

第三步，要解出阻抗矩陣并且還要和外加電壓矩陣作用，就要求解出線上的電流然后再求出天線的各種參數(shù)。［4］

4.雙臂圓錐對數(shù)螺旋天線的方向圖仿真

首先為了讓天線具有寬頻帶特性，就要讓螺旋的全數(shù)一定；接著我們可以依據(jù)設(shè)計頻率的范圍來確定圓錐的小端、大端直徑d和D；然后圓錐的頂角0θ和螺旋角α對方向圖以及波瓣的寬度影響非常大。一般，在α、δ數(shù)據(jù)一定的條件下，0θ越大波瓣就越寬，當(dāng)0θ極小的時候，方向圖就比較窄小，但是如果很小就將會讓椎體過長；當(dāng)0θ和δ一定的時候，α角度越小則波瓣就越寬；而當(dāng)0θ、α一定的條件下，螺旋臂的角的寬度δ對輻射的方向圖影響并不會太明顯。［5］

方向圖，工程上可近似表達為：

其中k為自由空間傳播常數(shù)，p為相對傳播常數(shù)。

北斗系統(tǒng)的工作波段在S波段。S波段采用2491.75MHz的中心頻率，以及4.08MHz的帶寬。

天線設(shè)計時通常對仰角有一定要求，因為某個目的要求，40度時為最佳仰角，滿足設(shè)計要求的最大增益。為了滿足信號集中等要求，在25度-55度的仰角中，功率增益不得小于4 dB。由于天線往往部署在高處，天線的高度會影響仰角，所以對天線的高度也有一定的要求。通過上述要求，可以判斷角度擴展的設(shè)計為30度，選擇60度的包角，半功率寬度139度。由此，可以設(shè)計出如下參數(shù)的雙臂CLS天線：首先進行計算，根據(jù)已知的工作頻率來計算工作頻段波長：120mm-120.7mm；再分別對天線上端的截止半徑和天線下端的截止半徑進行計算：5.52mm和3.17mm；計算天線高度：92mm。

從圖2中，我們發(fā)現(xiàn)角度為40度、-45度時，可以看到最大增益，這已經(jīng)達到了目標(biāo)的要求。［6］

結(jié)語

圖2中心頻率下的CLS天線的歸一化方向圖

穩(wěn)定性，因此大大提高了整個系統(tǒng)服務(wù)的精確度。但當(dāng)前這些系統(tǒng)功能的服務(wù)知識初始階段，對于更好的研究和應(yīng)用需要更進一步的努力和更多的時間。

［1］ 譚述森，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考，宇航學(xué)報，中國人民解放軍61081部隊，北京。2008.

［2］ 楊元喜，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、 貢獻與挑戰(zhàn)，中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位于應(yīng)用管理中心，北京。

［3］ 施闖，趙齊樂，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究，中國科學(xué)，地球科學(xué)，2012.

［4］ 唐旭，何秀鳳，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度相對定位性能分析，導(dǎo)航定位學(xué)報，2013.

［5］ 王艷紅，趙文智，楊明，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及其于民航導(dǎo)航的應(yīng)用，計算機測量與控制，2014.

［6］ 周巍，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定位理論方法研究與實現(xiàn)，信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文。