多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線的設(shè)計(jì)

商 鋒, 劉一江

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線的設(shè)計(jì)

商 鋒, 劉一江

(西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

在多模導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)中可以用一個(gè)寬帶天線來覆蓋所有頻段，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的共同接收。平面螺旋天線具有很寬的工作頻帶，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。由于在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配較難，天線效率不高，尤其低仰角增益不高，限制了其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。文中設(shè)計(jì)的平面阿基米德螺旋天線采用了自互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，加入了反射腔和吸收電阻，有效地改善了輻射及寬帶匹配特性，并在低仰角也達(dá)到了增益要求。因此它可以作為多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線。

多模導(dǎo)航系統(tǒng)；阿基米德平面螺旋天線；巴倫；反射腔

隨著多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漸漸完善，組合應(yīng)用多種導(dǎo)航系統(tǒng)，設(shè)計(jì)出符合指標(biāo)的多模接收天線,來提高系統(tǒng)精度和系統(tǒng)可靠性成為當(dāng)下衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。作為多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線，需要覆蓋導(dǎo)航系統(tǒng)所有頻段，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號的共同接收，因此工作頻帶要求設(shè)計(jì)為1 170～1 620 MHz。并且其低仰角增益也必須達(dá)到要求[1]，在30°仰角增益要求-1～0 dB，在20°仰角增益要求大于-2 dB。

平面螺旋天線基于相似原理。相似原理是指天線的所有尺寸按波長成比例變化，天線的工作特性不變。因此平面螺旋的工作特性和頻率無關(guān)，可以獲得很大的圓極化帶寬和阻抗帶寬。但其在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)匹配較難，天線效率不高，尤其低仰角增益不高，限制了其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用。

近年來國內(nèi)外對于平面螺旋天線的研究越來越多，發(fā)展出了很多形式。其中阿基米德正多邊形螺旋天線為了實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)理想的軸比，使得增益受到了影響；橢圓形背腔螺旋天線可以通過橢圓背腔來控制波束寬度，缺點(diǎn)是軸比和增益不夠理想。

本文采用自補(bǔ)型平面阿基米德螺旋天線，在應(yīng)用帶寬內(nèi)有效地改善了輻射特性，并通過加入合適的反射腔，獲得單向輻射，使得在低仰角也達(dá)到了增益要求。同時(shí)饋電電路中巴倫與阻抗變換器的優(yōu)化設(shè)計(jì)很好地實(shí)現(xiàn)了寬頻帶內(nèi)阻抗的匹配，提高了天線的效率。

1 阿基米德平面螺旋天線

阿基米德平面螺旋天線的半徑r隨角度ψ的變化均勻增加,即。

r=r0+aφ

(1)

式中r0為起始半徑，a為螺旋的增長率。

另一臂方程為

r=r0+a(φ-π)

(2)

在天線兩臂中心使用平衡饋線以180°相位差饋電，將獲得符合左右手規(guī)律的圓極化[1]。

螺旋臂的輻射主要來自臂表面上的電流，在平均半徑為λ/2π的電流帶上，相鄰雙臂中的電流接近同相，成為主要輻射區(qū)[2-3]。當(dāng)頻率變化時(shí)，主要輻射區(qū)也會隨著變動(dòng)，但是方向圖基本不變。因此，天線具有寬頻帶特性。

由于是有限長的天線，并不是嚴(yán)格意義上的非頻變天線，在螺旋末端會產(chǎn)生反射電流，形成交叉極化，影響輻射，惡化軸比。因此在螺旋末端添加吸收電阻[2]。

為了獲得單向圓極化輻射，還應(yīng)該安裝反射腔體。對于一般的平面螺旋天線都是加入吸波材料，這樣可以提高天線的帶寬和軸比，但卻使天線的效率大大降低。采用圓臺形的反射腔很好地實(shí)現(xiàn)了單向輻射，對非頻變特性改變也不大，實(shí)現(xiàn)了寬帶。

2 螺旋天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

圖1 平面螺旋天線HFSS模型

由于該螺旋天線是平衡結(jié)構(gòu)，而同軸線饋電是非平衡結(jié)構(gòu)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)巴倫。另外，同軸線特性阻抗是50 Ω，與天線并不匹配，因此需要阻抗變換器。將巴倫與阻抗匹配器設(shè)計(jì)成微帶線形式，一邊是特性阻抗與天線輸入阻抗相同的平行雙線結(jié)構(gòu)，另一邊漸變成特性阻抗為50 Ω的微帶線。HFSS模型如圖2，左邊是雙線，右邊是微帶線。上面的帶線通過梯形漸變，下面的帶線通過指數(shù)漸變[4-6]。

圖2 巴倫及阻抗匹配器HFSS模型

為了獲得單向輻射，加入了反射腔。使得向反射腔輻射的電磁波，經(jīng)過一定距離的自由空間后反射，并重新到達(dá)螺旋平面。電磁波經(jīng)過反射相位會改變180°。如果設(shè)計(jì)使得向腔體一側(cè)輻射的電磁波經(jīng)過四分之一波長傳播后反射，相位改變180°，反射波到達(dá)螺旋平面與前向輻射波相位相同，輻射疊加，就會提高增益[7-8]。不同頻率對應(yīng)波長不同，因而普通反射腔會影響寬頻帶特性。本文采用圓臺型的反射腔。通過對圓臺斜率的設(shè)計(jì)，使得不同頻率主要輻射區(qū)輻射的電磁波到達(dá)圓臺斜面的距離都是四分之一波長，從而滿足寬頻特性。HFSS模型如圖3。

圖3 反射腔HFSS模型

應(yīng)用HFSS對設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，不加反射腔時(shí)輸入阻抗約為134 Ω，加入反射腔，輸入阻抗以上面阻抗為中心上下波動(dòng)。因此設(shè)計(jì)阻抗匹配器一邊是特性阻抗為134 Ω的平行雙線，另一邊是特性阻抗為50 Ω的微帶線。

3 天線仿真結(jié)果

對整個(gè)阿基米德平面螺旋天線仿真，可得到天線的駐波圖，輻射方向圖以及軸比。駐波如圖4，可以看出天線在1.1～1.7 GHz的駐波均小于1.5，很好地實(shí)現(xiàn)了寬帶。

圖4 天線駐波系數(shù)

天線在寬帶內(nèi)都實(shí)現(xiàn)了很好地圓極化，中心頻率輻射方向圖如圖5，正前方增益為5.05 dB，30°仰角增益大于-1 dB，20°大于-2 dB。

由于在螺旋末端添加了吸收電阻，很好地減小了末端的反射，減小了交叉極化的輻射，中心頻率出的軸比如圖6，20°仰角軸比小于3 dB。

天線在整個(gè)工作頻帶1120～1670MHz的正前方最大增益如圖7，可見很好地實(shí)現(xiàn)了寬頻特性。

圖5 天線輻射方向圖

圖6 天線軸比

圖7 工作頻帶內(nèi)的正前方增益

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)仿真的單向輻射的阿基米德平面螺旋天線在1 120～1 670 MHz工作頻段內(nèi)很好地實(shí)現(xiàn)了右旋圓極化輻射，駐波小于1.5，在30°仰角增益為-1～0 dB，在20°仰角增益大于-2 dB，且軸比小于3 dB。因此該天線可以作為多模導(dǎo)航系統(tǒng)的接收天線。

[1] 商鋒.北斗天線的研究現(xiàn)狀及其面臨的技術(shù)問題[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,18(5):2-3.

[2] Milligan T A. Modern Antenna Design.Second Edition[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2012:390-391.

[3] 王新穩(wěn).微波技術(shù)與天線[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008:45-46.

[4] 馬如濤.巴倫對地阻抗的計(jì)算[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1999,21(3):57-58.

[5] 尹應(yīng)增.寬頻帶微帶傳輸線巴倫的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，1999,14(2):191-194.

[6] 宋朝暉.一種平面等角螺旋天線及寬頻帶巴倫的研究[J].制導(dǎo)與引信，2003,24(2):36-37.

[7] 劉宗全.一種共形寬帶圓極化螺旋天線的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2011,51(11):94-95.

[8] 鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011:225-226.

[責(zé)任編輯:孫書娜]

Design of receiving antenna for multi-mode satellite navigation system

SHANG Feng, LIU Yijiang

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In multi-mode satellite navigation system receiver, a broadband antenna can cover all frequency bands to receive all navigation signals. Since planar spiral antenna has a wide frequency band, it has been used more widely in modern communications applications. But the wideband matching network is difficult to implement and the antenna gain is low, especially for the low elevation gain. All these limit its application in the navigation system. The planar Archimedean spiral antenna described in this paper is self-complementary. It adds a reflecting cavity and absorption resistance, which can improve the radiation and wideband matching characteristics effectively, and also can reach low elevation gain requirements. Therefore it can be used as receiving antenna in multi-mode satellite navigation system.

multi-mode satellite navigation system，planar spiral antenna，balun，reflecting cavity

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.012

2014-08-13

商鋒(1966-)，男，教授，從事寬波瓣天線技術(shù)和寬帶微帶天線技術(shù)研究。E-mail: shangphone@sohu.com 劉一江(1989-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)樯漕l與微波電路。E-mail:lyjdaodao@163.com

TN828.5

A

2095-6533(2014)06-0062-04