一種新型單層寬帶GNSS天線設(shè)計(jì)

1 引言

由于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供導(dǎo)航、測(cè)量、定位和授時(shí)等功能，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科學(xué)研究、災(zāi)害防控以及軍事等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用和發(fā)展[1]。天線作為衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)中的一個(gè)至關(guān)重要的單元，受到大家廣泛研究。因?yàn)槎囝l多模有助于觀測(cè)更多的星座，提高定位精度和可靠性，還能夠免受單一系統(tǒng)的制約，可見研究寬帶GNSS天線有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出了一種單層空氣介質(zhì)型的新型貼片天線[2]，克服了一般微帶天線帶寬窄的缺點(diǎn)[3]，工作頻段為1160MHz～1615MHz，支持北斗二代、GPS、GLONASS和GALILEO的信號(hào)接收，對(duì)其進(jìn)行仿真和分析，研究結(jié)果表明，該類天線具有頻帶寬、形狀小和相位中心穩(wěn)定的突出優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)際項(xiàng)目的開展奠定了基礎(chǔ)[4～6]。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 天線單元設(shè)計(jì)

貼片天線由輻射單元、寄生單元、地板和置于天線地板另一面的天線饋電網(wǎng)絡(luò)組成，如圖1。其中輻射單元由薄銅片折疊成形。

這種結(jié)構(gòu)的天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）低成本：采用金屬薄片作為微帶天線的輻射體，空氣作為天線的介質(zhì)。相比傳統(tǒng)的高頻材料（微帶天線的基板），成本很低。

（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)接收，配件少，可靠性高。

（3）加工簡(jiǎn)單：采用普通金屬薄片作為輻射體，易于成形。并且由于不涉及普通微帶天線的金屬化過孔等工藝，加工簡(jiǎn)單。并且不受電路板加工厚度影響，容易制作較厚的天線。

（4）重量輕：傳統(tǒng)微帶天線介質(zhì)基板密度大，產(chǎn)品重?？諝饷芏刃?，重量輕。

（5）性能優(yōu)越：采用空氣介質(zhì)天線表面不會(huì)形成表面波，從而使天線性能更好。此外，寄生單元的運(yùn)用，提高了天線的波束帶寬、軸比帶寬。采用單層貼片輻射后，不同頻率之間相位中心高誤差更小，更加利于精確測(cè)量定位。

圖1 天線的結(jié)構(gòu)

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)

2.2 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

饋電網(wǎng)絡(luò)主要用作匹配微帶貼片天線并使之獲得右旋圓極化，它使天線饋電點(diǎn)輸入的四個(gè)等幅且相位相差90°的電場(chǎng)信號(hào)合路移相后終端得到一路同相信號(hào)輸出。為了天線工作頻帶1160MHz～1615MHz，采用2個(gè)正交（90°)耦合器和1個(gè)180°寬帶耦合線耦合器組成，具有寬帶、插損小和相位平衡（誤差）小的突出優(yōu)點(diǎn)[7～9]，如圖2所示。

圖3 軸比隨入射角變化曲線圖

圖4 垂直面的方向圖(方位角Phi=0°)

3 建模仿真與分析

3.1 貼片天線建模仿真與分析

天線薄金屬片采用0.50mm厚的銅材，正方形的貼片邊長(zhǎng)大小為57.25mm，貼片距離地板高度31.5mm(空氣介質(zhì)高)，外圍采用由8個(gè)金屬柱體和FR4板寄生電路。然后利用HFSS對(duì)天線進(jìn)行了建模和仿真，結(jié)果見圖3、圖4。

由圖3、圖4可見，天線在討論的工作頻帶較寬，其中在選取1227MHz和1575MHz兩個(gè)中心頻率上，在天線輻射上半球軸比均小于3dB，10dB波束寬度大于150度，最大增益在良好匹配條件下可以達(dá)到6.0dBic以上，保證對(duì)低仰角衛(wèi)星信號(hào)接收效果好，確保在一些遮擋較嚴(yán)重的場(chǎng)合仍能正常收星[10]。

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)建模仿真與分析

饋電網(wǎng)絡(luò)中的90°耦合器采用Anaren公司XC1400P-03S，具有較小的尺寸；180°耦合線耦合器在介電常數(shù)為3.38的24mil-8mil-24mil的帶狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。仿真結(jié)果見圖5、圖6。[11]

圖5 插入損耗

圖6 相位平衡

由圖5、圖6可見，饋電網(wǎng)絡(luò)插入損耗小于0.2dB，相位平衡（誤差）小于5度，可以使天線具有較高的接收靈敏度，并且形成的右旋圓極化效果好，從而有效減少多路徑信號(hào)對(duì)測(cè)量精度的影響。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的一種單層寬帶GNSS天線，對(duì)貼片天線和饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果顯示在工作頻段內(nèi)獲得較好參數(shù)，單層輻射單元和四點(diǎn)饋電，不僅結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，易于加工，可靠性高，并且使其可以保證很高的相位中心精度。并且由于成本低和重量輕，相信它將會(huì)具有廣泛的應(yīng)用前景。由于這種天線尺寸相對(duì)較大，天線的小型化將是我們的后續(xù)研究重點(diǎn)。

[1]付世強(qiáng),房少軍,王鐘葆,呂善偉.多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶天線[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,40(11):1811-1814.

[2]A.E.Popugaev,R.Wansch,S.Urquijo,A NOVEL HIGH PERFORMANCE ANTENNA FOR GNSS APPLICATIONS[C].Antennas and Propagation,2007.EuCAP 2007.The Second European Conference on.

[3]馬小玲,丁丁.寬頻帶微帶天線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2006:1-3.

[4]高陽,董樹榮,王德苗.GPS天線技術(shù)及其發(fā)展[J].無線通信技術(shù),2008,17(4):34-39.

[5]李庚祿,林福民.手持式高精度衛(wèi)星導(dǎo)航天線的研究[D].碩士論文,2013.

[6]李庚祿,林福民等.北斗二代和GPS聯(lián)合導(dǎo)航的雙頻微帶天線的設(shè)計(jì)[J].信息通信,2012(4):12-13.

[7]楊眉,李全明.一種相位中心穩(wěn)定的微帶天線設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2006,29(5):213-214.

[8]Gary R.Lennen,WilfredHand,BrianWestfall.GPS receiver with N-point symmetrical feed double-frequency patch antenna:US.5515057[P].1996.

[9]David M.Pozar. Microwave Engineering(4rd Edition)[M].New York:Wiley,2011:343-34.

[10]M.Phillippakis,M.Patel, D.Moore,D.Kemp,Experimental Results for an Airborne Multi—standard GNSS Antenna,EUROCAE WG62, Toulouse, France,2008.

[11]http://www.anaren.com/products/90-deg-hybridcouplers:XC1400P-03 Data Sheet Rev C.