一種單層雙頻寬帶GNSS測量型天線設計*

李曉鵬，李庚祿，張華福

(廣州中海達衛(wèi)星導航技術股份有限公司，廣州511400)

1 引言

隨著全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的迅速發(fā)展，尤其是我國“北斗”衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)的興起，對多系統(tǒng)導航能力的需求也隨之增加。為能滿足兼容四大導航系統(tǒng)終端設備應用需求，天線應具備較寬的增益帶寬和波束帶寬，并且系統(tǒng)滿足兼容性更強和結(jié)構(gòu)更加緊湊等要求。針對目前高精度多系統(tǒng)GNSS測量型天線設計需求，在衛(wèi)星信號接收性能上，不僅要保證天線具有定位精度高、性能穩(wěn)定可靠的特點，又要充分利用我國自主知識產(chǎn)權的“北斗”核心技術資源，將是目前國內(nèi)導航定位企業(yè)提高衛(wèi)星導航、測量與定位精度的最佳解決方案之一。研制一款寬波束帶寬、高增益、廣角軸比、相位中心穩(wěn)定等綜合性能較優(yōu)的GNSS雙頻天線是當前多系統(tǒng)導航終端設備的迫切需求。

微帶貼片天線具有形狀小、成本低、易共形和易加工等優(yōu)點[1]，是當前高精度天線研制者的首選設計方案。研制者在設計高精度微帶貼片天線時，通常傾向選擇對稱的貼片結(jié)構(gòu)設計和饋電技術來獲得較佳的圓極化特性和可靠的相位中心穩(wěn)定度。天線介質(zhì)基板和貼片結(jié)構(gòu)是影響天線性能的關鍵因素，它直接影響著天線的工作寬度、軸比帶寬、輻射增益等重要性能參數(shù)。

本文設計了一款高頻(L1)工作于1541～1621 MHz和低頻(L2)工作于1160～1300 MHz的寬帶雙頻高精度GNSS測量型天線，并且該天線采用單介質(zhì)基板的一體化結(jié)構(gòu)設計，相比于常規(guī)層疊式雙頻微帶貼片天線，在滿足較寬帶寬所需介質(zhì)基板厚度的同時，又實現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)的簡易化設計。

2 理論分析與結(jié)構(gòu)設計

2.1 理論分析

式(1)和式(2)給出了經(jīng)典的單饋點天線微帶貼片尺寸經(jīng)驗公式[2]:

式中，R是圓形貼片半徑(單位mm)，h是介質(zhì)厚度(單位mm)，εr是介質(zhì)基板相對介電常數(shù)，fr為工作頻率(單位Hz)。

饋電點位置的選取可通過仿真和經(jīng)驗大致得出，通常由貼片中心沿徑向到貼片邊緣的天線輸入阻抗逐漸變大，調(diào)整到50 Ω處的饋電位置為最佳[3]。

2.2 結(jié)構(gòu)設計

天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，介質(zhì)基板選用厚度為12 mm的實心圓柱體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高性能微波復合材料。天線低頻和高頻輻射貼片采用緊湊的共面化結(jié)構(gòu)設計，有效地實現(xiàn)了雙頻天線單元的一體化和簡易化結(jié)構(gòu)設計，即低頻輻射貼片單元采用相對中軸心線對稱分布的內(nèi)齒輪狀圓環(huán)結(jié)構(gòu)并使用銷釘將各齒輪與地相連接;高頻貼片采用相對中軸心線對稱分布的鋸齒環(huán)與低頻貼片交叉共面分布，且兩貼片保持等間隙分布。天線貼片單元鋸齒化處理可有效增加表面回路電流路徑，等效于增加輻射貼片單元有效面積，使天線在諧振環(huán)中輸入阻抗的實部減小[4]，進而在一定程度上縮小了天線尺寸。同時，在天線單元外圍設計一系列對稱分布的圓柱形短路銷釘，通過調(diào)整銷釘數(shù)量和位置分布，將極大改善天線高低頻輻射波束帶寬、軸比帶寬等。天線采用對稱分布的四饋點饋電技術，采用一種寬帶耦合相移網(wǎng)絡進行相位補償，進而保證天線相位中心性能更加穩(wěn)定，使天線在較寬的工作頻帶內(nèi)具有較好的圓極化特性。相移網(wǎng)絡如圖2所示，饋電網(wǎng)絡主要用作匹配微帶貼片天線并使之獲得右旋圓極化，它使天線饋電點輸入的4個等幅且相位相差90°的電場信號移相合路后并在終端得到一路同相信號輸出。

圖1 天線結(jié)構(gòu)Fig.1 The antenna structure

圖2 相移耦合網(wǎng)絡Fig.2 The phase shift coupling network

3 仿真與實測分析

3.1 天線輻射單元仿真與實測數(shù)據(jù)分析

天線采用單介質(zhì)基板的優(yōu)點在于可通過適當增加基板厚度進而達到同步拓寬雙頻工作帶寬和改善輻射增益的效果。仿真參數(shù)顯示位于天線單元外圍均勻分布的短路銷釘對天線軸比(Axial Ratio，AR)帶寬、工作頻點等參數(shù)有著重要的調(diào)諧作用，尤其是對軸比帶寬的改善較為突出，即天線高頻單元和低頻單元3 dB軸比仿真角度范圍分別為－76°～76°和－116°～116°，相比沒有添加外圍短路銷釘?shù)母叩皖l天線單元軸比仿真角度范圍僅分別為－60°～60°和－74°～74°，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示，因此得以驗證該天線具有較優(yōu)的廣角軸比帶寬和圓極化特性[5－8]。與此同時，通過仿真設計給出天線高低頻對應的增益分別約為7.1 dBi和7.2 dBi，能夠較好地滿足天線各頻段增益指標需求。為使得天線單元能夠較好覆蓋目前在運行的四大導航系統(tǒng)全部工作頻段，設計該天線低頻段(1160～1300 MHz)工作中心頻點約為1230 MHz和高頻段(1541～1621 MHz)工作中心頻點約為1580 MHz，并且在天線外邊緣對稱添加4組圓弧鋸齒便于對低頻中心頻率的微調(diào)。

圖3 短路銷釘對低頻天線單元軸比影響對比Fig.3 The impact of short－ circuit probes on axial ratio of the low－frequency antenna

圖4 短路銷釘對高頻天線單元軸比影響對比Fig.4 The impact of short－ circuit probes on axial ratio of the high－frequency antenna

圖5 和圖6分別給出天線低頻單元和高頻單元仿真和實測2D增益方向圖，可以看出，仿真與實測結(jié)果基本吻合，即具有較高的天頂角輻射增益和低仰角90°處較低的增益滑落(與最大輻射增益處相差小于11.5 dB)。

圖5 低頻天線單元仿真與實測2D增益對比Fig.5 The comparison between a simulation and a measured 2D gain for the low－frequency antenna

圖6 高頻天線單元仿真與實測2D增益對比Fig.6 The comparison between a simulation and a measured 2D gain for the high－frequency antenna

圖7 和圖8給出高低頻天線單元增益隨頻率的變化曲線，通常典型的輻射天線單元增益指標要求大于等于5 dBi，而本文設計天線高頻和低頻天線單元實測大于等于5 dBi的輻射增益帶寬均大于245 MHz，較寬的天線增益帶寬在一定程度上減小了天線低仰角輻射增益滑落，進而保證了接收機低仰角衛(wèi)星信號的接收質(zhì)量。

圖7 實測天線低頻天線單元增益隨頻率的變化Fig.7 The measured gain for low － frequency antenna as a function of frequency

圖8 實測天線低頻天線單元增益隨頻率的變化Fig.8 The measured gain for high － frequency antenna as a function of frequency

3.2 結(jié)合有源電路實測數(shù)據(jù)分析

圖9 則是配合天線單元設計的低噪聲放大電路。衛(wèi)星信號經(jīng)天線單元接收轉(zhuǎn)化成電信號，高頻L1和低頻L2衛(wèi)星信號分別經(jīng)四饋針下饋至各自耦合饋電網(wǎng)絡并合成圓極化信號輸出給低噪放電路，經(jīng)濾波放大、合路、再放大，輸出給主板。

圖9 低噪放電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 The structure diagram of low noise circuitry

圖10 為天線實物樣機，上層為單層結(jié)構(gòu)的天線輻射單元，下層為低噪聲放大電路，兩者通過饋針連接實施衛(wèi)星信號傳輸，并通過螺栓固定。在微波暗室環(huán)境下，我們測得該實物天線頻譜如圖11所示。從圖中可以看出，該天線覆蓋目前在運行的四大導航系統(tǒng)全部衛(wèi)星工作頻點，并具有較好的帶內(nèi)增益平坦度和帶外抑制特性。圖12則給出了天線樣機的群時延特性，天線對應頻點的群時延特性直接影響到主機對接收數(shù)據(jù)的解算精度，為了較好地滿足高精度GNSS天線設計需求，通常國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)主流天線產(chǎn)品定義典型的天線群時延指標小于等于10 ns，從圖中可以看到我們的天線群時延特性指標小于等于5 ns，較好地滿足指標要求。

圖10 天線實物Fig.10 The antenna prototype

圖11 天線單元結(jié)合低噪放電路頻譜圖Fig.11 The spectrum of the antenna prototype

圖12 天線實測群時延Fig.12 The group delay of antenna

4 結(jié)束語

基于單介質(zhì)層雙頻寬帶GNSS有源微帶貼片天線設計，通過對輻射貼片合理化結(jié)構(gòu)設計與布局，并借助仿真設計軟件不斷優(yōu)化設計，不僅實現(xiàn)了天線具有輻射增益高、廣角軸比特性好、波束帶寬較寬、圓極化性能好、相位中心穩(wěn)定可靠等特性，相比于傳統(tǒng)層疊式微帶貼片天線，該天線既滿足結(jié)構(gòu)設計更加緊湊，又實現(xiàn)寬頻帶雙頻天線的一體化、簡易化結(jié)構(gòu)設計。仿真與實測數(shù)據(jù)顯示，該天線裝置能夠較好滿足目前在運行的四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)所有衛(wèi)星信號的接收應用需求，有望在多系統(tǒng)全球衛(wèi)星導航精確測量與定位領域得到重要應用，尤其是滿足我國“北斗”產(chǎn)業(yè)終端設備的應用需求。

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