王冠君，朱 良，吳興軍

引向單元加載的球形弧面測(cè)量型天線

王冠君1,2，朱 良1，吳興軍1

（1. 上海海積信息科技股份有限公司，上海 201702；2. 東南大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，南京 211100）

針對(duì)傳統(tǒng)測(cè)量型衛(wèi)星導(dǎo)航天線成本高昂、體積大和質(zhì)量較重等問(wèn)題，為推廣高精度導(dǎo)航和位置服務(wù)在各類新領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用，研究了覆蓋北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS-3）及全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）全頻段的測(cè)量型天線。天線主輻射體為圓球形的弧面薄片結(jié)構(gòu)，其周圍加載了由豎直和水平弧形金屬結(jié)構(gòu)組成的引向單元，還包括覆蓋天線整個(gè)工作帶寬的高效率阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和低損耗功分、高相位平衡度饋電網(wǎng)絡(luò)。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線相對(duì)工作帶寬達(dá)到了32%以上，BDS-3及GNSS頻段的增益均在4.5 dB以上，并展現(xiàn)出優(yōu)異的右旋圓極化輻射特性和抗多路徑能力。對(duì)天線平均相位中心位置進(jìn)行了準(zhǔn)確標(biāo)定，結(jié)合測(cè)繪級(jí)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)雙天線近10 mm的定位精度和小于0.12°定向準(zhǔn)確度。

測(cè)量型天線；球形弧面輻射體；引向單元；高精度定位和定向

0 引言

2020年6月23日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)即北斗三號(hào)（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）最后一顆衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空，正式標(biāo)志BDS-3完成全球組網(wǎng)，擁有30顆衛(wèi)星的BDS-3已成為國(guó)家綜合時(shí)空體系建設(shè)的核心基礎(chǔ)。從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（區(qū)域）系統(tǒng)即北斗二號(hào)（BeiDou navigation satellite（regional）system, BDS-2）的亞太地區(qū)服務(wù)范圍升級(jí)到BDS-3全球覆蓋，對(duì)BD-3的載噪比、數(shù)據(jù)完整率、多路徑效應(yīng)、電離層延遲、定位精度等評(píng)估指標(biāo)的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)[1-5]。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）由全球服務(wù)范圍、區(qū)域服務(wù)范圍的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)和星基增強(qiáng)系統(tǒng)（satellite-based augmentation system, SBAS）組成。其中，全球服務(wù)范圍的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)包括中國(guó)BDS-3、美國(guó)全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）、歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo navigation satellite system, Galileo）和俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）；區(qū)域服務(wù)范圍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)包括日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（quasi-zenith satellite system, QZSS）、印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Indian regional navigational satellite system, IRNSS）等；SBAS包括美國(guó)廣域增強(qiáng)系統(tǒng)、歐洲靜地軌道導(dǎo)航重疊服務(wù)系統(tǒng)和北斗星基增強(qiáng)系統(tǒng)等等，其具體頻段分布和信號(hào)帶寬如圖1所示?，F(xiàn)基于GNSS的高精度定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)在智能交通、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、變形監(jiān)測(cè)、精密農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，甚至說(shuō)GNSS的應(yīng)用領(lǐng)域并不受技術(shù)的限制，而是受人類想象力的限制[6]。

圖1 GNSS頻率分布和其信號(hào)帶寬

GNSS測(cè)量型衛(wèi)星導(dǎo)航天線性能直接影響到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測(cè)量精度，相比傳統(tǒng)測(cè)量型天線，低成本接收機(jī)的天線存在抗多徑能力較差、天線相位中心不夠穩(wěn)定等問(wèn)題。智能手機(jī)等低成本接收機(jī)的飛速發(fā)展，使得連續(xù)性、完好性、高精度成為其新的定位需求，而阻礙厘米級(jí)定位技術(shù)在移動(dòng)終端等低成本接收機(jī)中發(fā)展的主要因素之一就是天線[7]。伴隨小鵬、蔚來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的興起，百度、高德精密高精度地圖的應(yīng)用普及和“5G+北斗高精度導(dǎo)航”技術(shù)的融合，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)贕NSS的高精度定位需求也愈加旺盛，同時(shí)也對(duì)GNSS測(cè)量型天線提出了低成本、小型化、全系統(tǒng)寬頻段、高精度等各類要求。

GNSS測(cè)量型天線重要特征體現(xiàn)在3點(diǎn)：①其相位中心隨衛(wèi)星信號(hào)入射的方位角、俯仰角和隨工作頻段的變化而變動(dòng)較小，且能夠和天線幾何中心重合；②只接收水平面以上的衛(wèi)星信號(hào)（高度截止角為5°或10°），并能夠有效抑制其他入射方向的信號(hào)（抗多路徑能力）；③遠(yuǎn)場(chǎng)圓極化輻射[8]等。鑒于上述特點(diǎn)常采用的天線形式有中心軸線對(duì)稱的四饋點(diǎn)微帶天線[9]、四臂螺旋天線[10-11]、雙臂圓錐螺旋天線[12]、三角形十字交叉陣子天線[13-14]等。不同于上述天線構(gòu)造類型，本文提出一種小型化、可覆蓋GNSS全頻段的超寬帶測(cè)量型天線，包括中心處的球形弧面輻射體、引向單元、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、饋電網(wǎng)絡(luò)和低噪聲放大電路等；天線直徑僅為121 mm，高度為25 mm；仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明天線可覆蓋GNSS全部工作帶寬，且表現(xiàn)出優(yōu)異的右旋圓極化輻射特性、高輻射和高匹配效率、穩(wěn)定的相位中心和高前后比（front back ratio, FBR）；天線相對(duì)工作帶寬達(dá)到了32%以上，BDS-3及GNSS其他頻段的增益均達(dá)到了4.5 dB以上。

1 天線設(shè)計(jì)原理

連續(xù)運(yùn)行參考站（continuously operating reference stations, CORS）天線常采用介質(zhì)基板較厚的疊層微帶天線作為陣元，選用由多圈扼流槽和扼流環(huán)構(gòu)成的金屬底座[8,15]或由多個(gè)周期性單元構(gòu)成的電磁帶隙（electromagnetic band gap, EBG）[16-17]結(jié)構(gòu)作為陣元基座，這類結(jié)構(gòu)形式的天線可有效抑制表面波的散射，實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)的抗多路徑能力，但其體積大、質(zhì)量重、價(jià)格昂貴，不利于當(dāng)下基于GNSS各類高精度定位和導(dǎo)航應(yīng)用的推廣。本文中的天線采用弧面狀薄片結(jié)構(gòu)作為主輻射體，一體式輻射體結(jié)構(gòu)形狀可保證相位中心高程分量在不同頻段下的高度穩(wěn)定性（即其相位中心的垂直位移量隨工作頻段變化極?。涑杀镜?、質(zhì)輕、體積小，并通過(guò)引向單元的加載獲得優(yōu)異的圓極化輻射性能和抗多路徑能力。

1.1 主輻射體

主輻射體是一塊圓球形的弧面狀薄片（圖2中心部分），結(jié)合金屬反射板（圖2圓形部分）可實(shí)現(xiàn)上半空間輻射，配合阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)能夠覆蓋GNSS全部工作帶寬（1164～ 1610 MHz）；天線共有4個(gè)饋電點(diǎn)（位于圓弧邊中心），對(duì)4個(gè)饋電端口采用等幅、依次正交的激勵(lì)方式，實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射的同時(shí)，還可提高天線在不同方位角的相位中心穩(wěn)定性。主輻射體具體的結(jié)構(gòu)尺寸和方程軌跡可由方程組式（1）描述的三維結(jié)構(gòu)得到。

式（1）中的單位均為mm，第1個(gè)方程式為沿x軸延伸，半徑為24 mm的圓柱體；第2個(gè)表示半徑40 mm上半球體；2個(gè)方程式通過(guò)布爾相交運(yùn)算、z軸90°旋轉(zhuǎn)和復(fù)制、布爾聯(lián)合運(yùn)算后得到的三維結(jié)構(gòu)外表面，即是圓球形弧面狀結(jié)構(gòu)。該球形弧面結(jié)構(gòu)直徑為74.16 mm，高度為25 mm。

1.2 引向單元

拓寬天線圓極化波束寬度可捕獲更多衛(wèi)星數(shù)，有利于減小位置精度衰減因子（position dilution of precision, PDOP），提高導(dǎo)航和定位精度；提高天線前后比，可更好抑制水平面附近和以下入射方向的衛(wèi)星信號(hào)，提高天線抗多路徑能力，減小實(shí)際相關(guān)峰引起的誤差。為拓寬天線波束寬度和提高前后比，在主輻射體周圍加載了8個(gè)豎直和水平弧形結(jié)構(gòu)組成的引向單元，相隔圓周45°均勻分布（均為銅材質(zhì)，參考圖2）。為驗(yàn)證引向單元對(duì)圓極化輻射性能和抗多路徑能力的提高效果，對(duì)有、無(wú)引向單元加載的情況進(jìn)行了模擬仿真。從圖3中的、切面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布可看出，該引向單元與中心球形弧面結(jié)構(gòu)之間形成了強(qiáng)烈的耦合作用，在豎直部分和水平圓弧結(jié)構(gòu)周圍的位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯強(qiáng)于未加載引向單元的情況；這種耦合效果在低仰角方向附近可增強(qiáng)天線場(chǎng)強(qiáng)的輻射效果，改善低仰角附近的圓極化輻射性能[14]，降低了低仰角附近的軸比和提高了前后比值。

圖3 有、無(wú)引向單元情況下不同切面的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖4為天線在加載和不加載引向單元情況下，天線在1227.6 MHz和1575.42 MHz頻點(diǎn)處的遠(yuǎn)場(chǎng)軸比曲線和圓極化增益曲線。仿真結(jié)果表明，相對(duì)于未加載8個(gè)引向單元的情況，天線的前后比在2個(gè)頻點(diǎn)處分別增加了5 dB和10 dB左右；另外，天線的圓極化波束寬度得到拓寬，1575.42 MHz頻點(diǎn)處的軸比波束寬度得到大幅度改善。通過(guò)多次優(yōu)化得到引向單元距離中心軸線57.5 mm，豎直部分的高度為16 mm，直徑為6 mm，水平弧形結(jié)構(gòu)內(nèi)、外徑分別為54.5 mm和60.5 mm，同心角度為38°。

圖4 天線遠(yuǎn)場(chǎng)軸比和總增益仿真曲線

1.3 阻抗匹配和饋電網(wǎng)絡(luò)

天線的仿真史密斯（Smith）阻抗圓圖曲線如圖5（a）所示，天線輸入阻抗隨著頻率升高，其虛部阻抗由感性逐漸變成容性，實(shí)部值一直較高。為設(shè)計(jì)出寬帶化阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)輸入阻抗的散射（S）參數(shù)進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)仿真，頻率覆蓋范圍為1.1～1.8 GHz。經(jīng)分析和優(yōu)化后得到的原理圖如圖5（b）所示。天線輸出端口并聯(lián)1=0.5 pF電容和串聯(lián)1=22 nH電感，再經(jīng)過(guò)一段共面波導(dǎo)（coplanar waveguide, CPW）傳輸線匹配到源阻抗=50 Ω。仿真中CPW傳輸線采用相對(duì)介電常數(shù)r=4.4、切角損耗tan=0.02的環(huán)氧樹脂板材作為介質(zhì)基板，該介質(zhì)基板的厚度=1 mm，表面銅箔厚度=0.035 mm，CPW傳輸線長(zhǎng)度=39 mm，線寬=0.2 mm，與參考地間隙=0.6 mm。

圖5 天線輸入阻抗Smith圓及其原理

阻抗匹配仿真后得到的Smith阻抗圓圖和回波損耗曲線如圖6（a）和圖6（b）所示，天線在1166～ 1607 MHz頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)寬帶化阻抗匹配，帶內(nèi)回波損耗均小于-9.29 dB，相對(duì)于中心頻點(diǎn)1400 MHz達(dá)到了近32%相對(duì)工作帶寬。為實(shí)現(xiàn)等幅、相位依次正交的四路饋電網(wǎng)絡(luò)，采用180°混合網(wǎng)絡(luò)和2個(gè)90°混合耦合器方式，其中180°混合網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)寬帶化等幅功分、180°相移，90°混合耦合器可實(shí)現(xiàn)寬帶化功分、90°正交相移，其原理圖如圖7（a）所示，圖中還包含圖5（b）的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，并將其擴(kuò)展到四端口的形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：90°混合耦合器采用RN2公司RCP1500Q03器件，其在1200～1700 MHz工作頻段內(nèi)插損小于0.25 dB，正交相位平衡度在±3°以內(nèi)。由此實(shí)現(xiàn)的版圖如圖7（b）所示，版圖所采用的介質(zhì)基板及CPW傳輸線和仿真模型保持一致，0.5 pF電容和22 nH電感分別采用村田（Murata）公司封裝為40 mil×20 mil的疊層陶瓷電容和60 mil×30 mil的高值空心繞線電感，負(fù)載選用國(guó)巨（Yageo）公司封裝為40 mil×20 mil的51 Ω電阻。mil為英制長(zhǎng)度單位，1 mil=0.0254 mm。180°混合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法這里不再詳述。

圖6 阻抗匹配仿真后的天線輸入阻抗

圖7 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)的原理圖和版圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 饋電網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果

對(duì)阻抗變換和饋電網(wǎng)絡(luò)的版圖進(jìn)行了加工，首先對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)（不含阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行了測(cè)試，從表1和表2中看出，所有頻點(diǎn)的插損均小于6.9 dB, 除1166 MHz頻點(diǎn)處最大相位差達(dá)到100.2°外，其余頻段的相位差較90°都小于7.5°，這為保證天線高輻射效率、優(yōu)異的圓極化輻射特性和相位中心穩(wěn)定性提供了良好保障。

表1 饋電網(wǎng)絡(luò)各端口插損

表2 饋電網(wǎng)絡(luò)端口間相位差

2.2 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

天線結(jié)構(gòu)中心的球形圓弧薄片采用洋白銅材質(zhì)，由沖壓工藝結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，對(duì)天線在不同頻率下的軸比、FBR、半功率波束寬度和右旋圓極化增益進(jìn)行了測(cè)試（圖8）。GNSS頻帶內(nèi)天線的輸出駐波比均小于2，1.2～1.61 GHz頻段內(nèi)輸出駐波比小于1.5，表現(xiàn)出了優(yōu)異的寬帶阻抗匹配特性。圖8（a）中FBR在1.2 GHz為11 dB左右，隨著頻率的升高FBR逐漸升高到15 dB甚至20 dB以上，天線抗多路徑信號(hào)能力逐漸增強(qiáng)；天線在低頻的半功率波束寬度達(dá)到90°甚至95°以上，高頻處的半功率波束寬度也均大于80°，在32%的相對(duì)帶寬范圍內(nèi)的旋圓極化增益均在4.5 dB以上，大部分頻點(diǎn)均在5 dB以上（本文主要關(guān)注BDS-3和GNSS頻段，實(shí)際右旋圓極化增益大于4.5dB的帶寬超過(guò)38%），頂點(diǎn)處的軸比基本小于1 dB，天線表現(xiàn)出超寬帶化的高輻射效率和圓極化輻射特性，可很好滿足測(cè)量型高精度天線的所有重要特征。

圖8 天線實(shí)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)參數(shù)

2.3 相位中心標(biāo)定

天線相位中心是指天線輻射電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)分量等效地由這點(diǎn)輻射出去，輻射的電磁波為一理想球面，但實(shí)際使用的測(cè)量型天線相位中心既非天線幾何中心,也不是一個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn),而是與入射信號(hào)仰角、方位角、信號(hào)頻率和天線形式有關(guān)的一個(gè)區(qū)域[18]。為實(shí)現(xiàn)高精度定位和定向測(cè)量，需對(duì)天線的相位中心位置準(zhǔn)確標(biāo)定。通過(guò)對(duì)不同方位角下的右旋圓極化相位曲線（選取視在角度140°，即水平面20°以上的仰角范圍），采用最小二乘法計(jì)算，得出以底面反射板中心（參考圖2）為坐標(biāo)原點(diǎn)的平均相位中心三維坐標(biāo)（,,），即平均相位中心偏差（phase center offset, PCO）。從表3中可看出，實(shí)測(cè)PCO的位置與仿真結(jié)果最大差值為0.6 mm，且距離中心軸線的位置（,=0）均小于1 mm，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表現(xiàn)出高度一致性，PCO隨頻率的變化較小，距離中心軸線的距離均小于1 mm，表征天線相位中心誤差引入的定位、定向偏差小。

表3 仿真和實(shí)測(cè)得到的PCO三維坐標(biāo)

2.4 定位、定向測(cè)試

為驗(yàn)證本文提出的BDS-3測(cè)量型天線定位、定向的精確度和準(zhǔn)確性能，對(duì)天線進(jìn)行了靜態(tài)差分定位、定向測(cè)試。由于到達(dá)地面的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)非常微弱（電平值-130～-140 dBm），為使其能夠達(dá)到后端接收機(jī)進(jìn)行正常解調(diào)所需的電平，在印刷電路板（printed circuit board, PCB）背面配置了增益約為40 dB、噪聲系數(shù)為1 dB左右的低噪聲放大電路。實(shí)驗(yàn)中將2個(gè)完全相同的有源天線放置頂樓天臺(tái)位置進(jìn)行測(cè)試，選取了1臺(tái)測(cè)繪級(jí)接收機(jī)（內(nèi)置NOVATEL617D移動(dòng)站板卡，可接收四系統(tǒng)全頻段信號(hào)）與2個(gè)天線輸出端口相連，從網(wǎng)絡(luò)接收厘米級(jí)差分?jǐn)?shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行定位、定向解算。對(duì)實(shí)驗(yàn)采集的4 h數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，其定位和定向精度結(jié)果如圖9所示。圖9中定位結(jié)果顯示水平定位誤差接近10 mm，定向角度的偏差小于0.12°，表明該測(cè)量型天線表現(xiàn)出了高精度定位、高準(zhǔn)確度定向特性。

圖9 雙天線定位、定向結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一款覆蓋BDS-3及GNSS頻段的超寬帶測(cè)量型天線，詳細(xì)闡述了天線主輻射體、引向單元、抗匹配網(wǎng)絡(luò)和饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線展現(xiàn)出了優(yōu)異的前后比、右旋圓極化輻射特性和寬帶高增益特性等。對(duì)天線相位中心進(jìn)行了準(zhǔn)確標(biāo)定，雙天線定位和定向結(jié)果表明天線極具高精度定位和定向的工程應(yīng)用價(jià)值，為“5G+北斗高精度導(dǎo)航”以及智能網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域提供了優(yōu)秀的備選天線方案，但文中饋電網(wǎng)絡(luò)端口之間的正交相位平衡度還有待進(jìn)一步改善。

[1] LOU Y D, LI X J, ZHENG F, et al. Assessment and impact on BDS positioning performance analysis of recent BDS IGSO-6 satellite[J]. Journal of Navigation, 2018, 71(3): 729-748.

[2] ZHANG X H, WU M K, LIU W K, et al. Initial assessment of the COMPASS/BeiDou-3: new-generation navigation signals[J]. Journal of Geodesy, 2017, 91(10): 1225-1240.

[3] ZHAO X Y, NIE P, TAO L, et al. The new generation GNSS single-frequency RTK positioning with high cut-off elevation angles[C]//Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE). Proceedings of 20192nd International Conference on Information Systems and Computer Aided Education (ICISCAE). Dalian, China: IEEE, 2019: 194-198.

[4] 關(guān)小果, 柴洪洲, 潘宗鵬, 等. BDS3新試驗(yàn)衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)質(zhì)量分析[J]. 測(cè)繪工程, 2019, 28(5): 29-34.

[5] 何義磊, 王志文, 王潛心, 等. 北斗全球試驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2018(12): 1-5.

[6] HEIN G W. Status, perspectives and trends of satellite navigation[EB/OL].[2021-01-18].https://satellite-navigation. springeropen.com/track/pdf/10.1186/s43020-020-00023-x.pdf.

[7] 李婉清, 傅其祥, 劉倍典, 等. 低成本高精度定位技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 測(cè)繪通報(bào), 2020(2): 1-8.

[8] LIU S J, LI D, LI B Y, et al. A compact high-precision GNSS antenna with a miniaturized choke ring[EB/OL].[2021-01-18].https://sci-hub.se/10.1109/LAWP.2017.2724302.

[9] RAY S, KUMAR G. Suspended four feed square microstrip antenna for broadband circular polarization[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium.Columbus, OH: IEEE, 2003: 284-287.

[10] TAKACS A, FONSECA N J G , AUBERT H. Height reduction of the axial-mode open-ended quadrifilar helical antenna[EB/OL].[2021-01-18].https://sci-hub.se/10.1109/LAWP.2010.2081966.

[11] LEI J, FU G, HAO Y. Wideband printed tapering quadrifilar helical antenna for GNSS[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).Proceedings of 20159th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Lisbon, Portugal: IEEE, 2015: 942-945.

[12] HUSSEIN K F A. Conical linear spiral antenna for tracking, telemetry and command of low earth orbit satellites[EB/OL].[2021-01-18].https://www.jpier.org/PIERC/pierc29/08.12031610.pdf.

[13] CHOI E C, LEE J W, LEE T K, et al. Circularly polarized S-Band satellite antenna with parasitic elements and its arrays[EB/OL].[2021-01-18]. https://sci-hub.se/10.1109/LAWP.2014.2347998.

[14] KIRIS O, TOPALLI K, KUZU L. A wideband circularly polarized GNSS antenna for satellite platforms[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Proceedings of 2019 International Applied Computational Electromagnetics Society Symposium (ACES). Miami, FL: IEEE, 2019: 978-979.

[15] EMARA M K, HAUTCOEUR J, PANTHER G, et al. Surface impedance engineered low-profile dual-band grooveddielectric choke ring for GNSS applications[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2019, 67(3): 2008-2011.

[16] BAGGEN R, MARTINE-VAZQUEZ M, LEISS J, et al. Low profile Galileo antenna using EBG technology[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(3): 667-674.

[17] MAQSOOD M, GAO S, BROWN T, et al. Novel multipath mitigating ground planes for multiband global navigation satellite system antennas[C]//The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Proceedings of 20126th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP). Prague, Czech Republic: IEEE, 2012: 1920-1924.

[18] AKROUR B, SANTERRE R, GEIGER A. Calibrating antenna phase centers[J]. GPS World, 2005, 16(2): 49-53.

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，吳興軍. 引向單元加載的球形弧面測(cè)量型天線[J]. 導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 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，工程師，研究方向?yàn)楸倍奋娪锰炀€、GNSS測(cè)量型天線、電臺(tái)超短波天線、射頻通道技術(shù)等。