吳多龍 周梓發(fā) 李 瑞 鮑志雄

（1.廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司，廣東 廣州 511400）

1.引 言

利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行高精度測(cè)量在測(cè)繪領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)天線的性能提出了更高的要求。文獻(xiàn)［1］指出了影響測(cè)量型天線精度的主要因素之一是天線的相位中心穩(wěn)定性，硬件解決方法是研制電氣相位中心偏差為零的天線。文獻(xiàn)［2］應(yīng)用四點(diǎn)均勻饋電技術(shù)，改善了相位方向圖的軸向?qū)ΨQ性，確保了相位中心的穩(wěn)定。文獻(xiàn)［3］［4］利用四個(gè)L型探針進(jìn)行饋電，不僅可以展寬微帶天線的阻抗帶寬，而且在寬角度內(nèi)展寬了軸比（AR≤3dB）帶寬。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用4個(gè)帶帽的容性探針進(jìn)行饋電，實(shí)驗(yàn)表明阻抗和軸比帶寬都得到了展寬。利用多點(diǎn)饋電技術(shù)可以有效地展寬天線的軸比和阻抗帶寬，改善天線方向圖的軸向?qū)ΨQ性，提高天線的相位中心穩(wěn)定度。

CNSS是中國(guó)自主開發(fā)的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可向用戶提供全天候、高精度即時(shí)定位服務(wù)，定位精度與GPS相當(dāng)。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于北斗高精度測(cè)量型天線的研究甚少。因此，文中設(shè)計(jì)了一種高精度測(cè)量型天線，可以同時(shí)工作在北斗衛(wèi)星二號(hào)系統(tǒng)的兩個(gè)頻段（B1：1561MHz，B2：1207MHz），并且通過(guò)多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)實(shí)現(xiàn)了良好的右旋圓極化特性，同時(shí)確保了相位中心的穩(wěn)定，對(duì)RTK固定解進(jìn)行測(cè)試偏差在±3cm以內(nèi)。該天線可以廣泛應(yīng)用于地震測(cè)量、公路鐵路測(cè)量、港口建設(shè)規(guī)劃、航行標(biāo)志定位設(shè)置等。

2.理論分析

2.1 天線分析

文獻(xiàn)［6］分析了單饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓極化和微帶天線小型化的新途徑，文獻(xiàn)［7］給出了CAD公式分析貼片切角工作原理，文獻(xiàn)［8］利用FDTD算法對(duì)有源集成天線的模擬和設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明此方法的有效性，文獻(xiàn)［9］詳細(xì)分析了多饋點(diǎn)實(shí)現(xiàn)圓極化的原理。因此，綜合天線性能和設(shè)計(jì)難度，文中采用正方形貼片形式，設(shè)計(jì)了一種有源天線，該天線由輻射單元和低噪聲放大器組成。其中，輻射單元由兩層疊加而成分別對(duì)應(yīng)于兩個(gè)頻段的接收，饋電方式采用背饋。四個(gè)帶帽容性探針穿過(guò)底層貼片過(guò)孔，對(duì)上層貼片B1頻段進(jìn)行饋電，另四個(gè)帶帽容性探針對(duì)底層貼片B2頻段進(jìn)行饋電。通過(guò)在兩貼片的中心加一短路針來(lái)縮減天線的尺寸，短路針和同軸探針之間形成強(qiáng)耦合等效于加載一個(gè)電容，使得天線在低于諧振頻率位置達(dá)到阻抗匹配，從而縮減天線的尺寸。右旋圓極化通過(guò)饋電網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)，饋電點(diǎn)信號(hào)相位按照順時(shí)針依次相差90°.這種多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)確保了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有良好的阻抗帶寬及軸比特性，同時(shí)相位中心更加穩(wěn)定，天線的結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

天線由兩層組成，上層為B1頻段由3部分組成，從上至下依次是：輻射貼片，介質(zhì)基板（基板材料相對(duì)介電常數(shù)為εr，厚度為h1），金屬接地板。下層為B2頻段同樣也由3部分組成分別是：輻射貼片，介質(zhì)基板（基板材料相對(duì)介電常數(shù)為εr，厚度為h2），金屬接地板，兩層之間通過(guò)螺釘安裝。

2.2 天線設(shè)計(jì)

根據(jù)微帶天線理論［10］，當(dāng)εr及hi（i＝1、2）已知時(shí)，天線的寬度W影響著微帶天線的輻射方向性，輻射電阻及輸入阻抗，也就影響著頻帶寬度和輻射效率。另外，W的尺寸直接支配著微帶天線的總尺寸。在安裝尺寸允許的條件下W選取適當(dāng)?shù)拇笮?duì)頻帶，效率及阻抗匹配都是有利的，但是當(dāng)W尺寸大于下式給出的值時(shí)將產(chǎn)生高次模。

式中：c為光速；fr是諧振頻率。

根據(jù)理論計(jì)算，結(jié)合CST的仿真優(yōu)化得出最終的天線尺寸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3（a）是B1頻段的輻射貼片結(jié)構(gòu)，在貼片的各邊加載了三條短截線。圖3（b）是B2頻段的輻射貼片結(jié)構(gòu)，在貼片各邊加載了五條短截線和切角來(lái)調(diào)諧天線的諧振頻率，此方法使輻射電極呈分形排列，等效長(zhǎng)度增大達(dá)到縮減天線尺寸目的。

輻射貼片是利用正方形設(shè)計(jì)的，w為貼片寬度，s為基板寬度，h為基板厚度，l和t分別為短截線的寬和長(zhǎng)，q為貼片的切角垂直長(zhǎng)度，d為饋電點(diǎn)距離中心的位置，εr為相對(duì)介電常數(shù)。帶帽容性探針1、2、3、4是B1頻段的饋電點(diǎn)，提供四個(gè)等幅、正交、相位依次順時(shí)針相差90°的信號(hào)，其相位分別為0°、90°、180°、270°以確保天線接收?qǐng)A極化波和相位中心的穩(wěn)定，帶帽容性探針5、6、7、8是B2頻段的天線饋點(diǎn)。天線的具體尺寸值如表1所示。

表1 上下層輻射單元的尺寸（單位／mm）

2.3 移相網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

微波有源放大電路直接影響著接收信號(hào)的信噪比，要求其噪聲系數(shù)小、增益高和動(dòng)態(tài)范圍大。由于正方形微帶天線和帶帽容性探針的特性阻抗均是50Ω，為了實(shí)現(xiàn)放大器最佳噪聲系數(shù)和高增益，必須設(shè)計(jì)輸入和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。北斗衛(wèi)星工作頻率為L(zhǎng)波段，應(yīng)采用微波混合集成電路技術(shù)。根據(jù)接收機(jī)增益和噪聲性能的要求，可以采用兩級(jí)放大的電路形式。為使從輻射貼片接收到的多路信號(hào)耦合成一路信號(hào)最終由一個(gè)SMB接口輸入到接收機(jī)，其移相網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。B1頻段的四個(gè)饋點(diǎn)信號(hào)由兩個(gè)3 dB電橋耦合成兩路信號(hào)，經(jīng)微帶線1與微帶線2傳輸?shù)?dB電橋3耦合成一路信號(hào)，其中微帶線2比微帶線1長(zhǎng)1／4λ，其中λ是波長(zhǎng)，如圖4所示。

3.數(shù)值仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

采用電磁仿真軟件CST對(duì)天線進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，圖5給出了天線的仿真和實(shí)測(cè)參數(shù)結(jié)果。從圖5看出，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果在諧振頻率符合得較好，兩頻段電壓駐波比（VSWR＜1.2）符合實(shí)際應(yīng)用要求。但是由于天線加工工藝和實(shí)際測(cè)量環(huán)境影響下，仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果存在著偏差。圖6給出了1561MHz和1207MHz實(shí)測(cè)與仿真方向圖對(duì)照，實(shí)線表示實(shí)測(cè)結(jié)果，虛線表示仿真結(jié)果，實(shí)測(cè)與仿真吻合得較好。

根據(jù)仿真天線的尺寸，設(shè)計(jì)加工了一個(gè)實(shí)物天線。把實(shí)物天線與低噪聲放大器組裝成有源天線。對(duì)RTK固定解進(jìn)行了測(cè)試水平面X－Y坐標(biāo)下偏差在±3cm以內(nèi)，垂直高度H坐標(biāo)下偏差也在±3 cm以內(nèi)，滿足實(shí)際高精度測(cè)量的應(yīng)用，其測(cè)試結(jié)果如圖7、8所示，圖9為天線實(shí)物圖照片。

4.結(jié) 論

根據(jù)我國(guó)北斗衛(wèi)星二號(hào)系統(tǒng)的兩個(gè)頻段，設(shè)計(jì)了一種高精度測(cè)量型天線。此天線的駐波比和軸比都比單饋電點(diǎn)的天線優(yōu)良，而且八個(gè)饋電點(diǎn)使得天線具有相當(dāng)高的相位中心穩(wěn)定度，大大提高了天線的測(cè)量精度。通過(guò)有源放大網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)使天線增益得到了放大，同時(shí)信噪比得到了改善，此種天線滿足實(shí)際測(cè)量需要的精度和要求。

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