王春華，吳文平，王曉輝，鄧文雄

（深圳市華信天線技術(shù)有限公司，深圳 518055）

3D扼流圈天線設(shè)計

王春華，吳文平，王曉輝，鄧文雄

（深圳市華信天線技術(shù)有限公司，深圳 518055）

本文介紹了多徑信號的形成和抑制多徑效應(yīng)的基本方法，并設(shè)計了一款具有多徑抑制效應(yīng)的3D扼流圈天線，該天線可以同時應(yīng)用于GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的G1和G2兩個頻段。實驗結(jié)果表明，該天線對多徑信號具有較強的抑制能力，且相位中心穩(wěn)定，具有較強的抗干擾能力。

多徑信號；扼流圈天線；GPS

1 引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航精密測量技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，測量型天線性能的好壞直接影響到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的測量精度，測量型天線的多徑效應(yīng)和相位中心的變化是影響其性能的主要原因。目前，人們對多徑技術(shù)進行了大量研究，并發(fā)展了許多的多徑減輕技術(shù)，如移除天線附近的反射物體，以及選擇良好的環(huán)境等都可以明顯改善多徑效應(yīng)[1]。此外，也可以采用具有多徑抑制功能的天線，如扼流圈天線可以明顯減輕來自地面和低仰角散射體的多徑信號。目前，國內(nèi)外對于扼流圈天線的設(shè)計以及測試進行了大量研究[2-5]，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是相關(guān)的文獻資料卻比較少。

本文設(shè)計了一款可以應(yīng)用于GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度3D扼流圈天線，天線單元采用的是多點饋電的天線，扼流圈為金字塔形狀，并通過天線單元與多徑裝置的匹配，改善其多徑抑制能力。通過實驗表明天線具有較強的多徑抑制能力和高穩(wěn)定穩(wěn)定的相位中心，并且天線低仰角增益好，保證了天線對低軌道衛(wèi)星的跟蹤能力。

2 多徑效應(yīng)及相位中心偏差

信號在傳播過程中遇到山川、湖泊、建筑物、車輛等障礙物時會發(fā)生反射或散射現(xiàn)象，這些信號在到達接收機時經(jīng)過的路徑比直達信號經(jīng)過的路徑更長，被稱為多徑信號。相對于直達信號，多徑信號總是有延遲的，并且其幅度有可能衰減，也有可能增強。當(dāng)多徑信號與直達信號同時進入接收機時，其幅度和相位關(guān)系會互相疊加，可能造成偽距測量和載波相位測量出現(xiàn)誤差或畸變，降低測距精度，并可能造成接收機完全失鎖。

削弱多徑影響的具體方法主要有選擇合適的接收環(huán)境、采用帶有多徑消除技術(shù)的接收機、采用具有多徑抑制效應(yīng)功能的天線[6]等。當(dāng)多徑信號的延遲較大時，采用具有多徑消除技術(shù)的接收機可以消除誤差，但是當(dāng)延遲較小時，接收機就很難消除該誤差，此時可以采用具有多徑抑制效應(yīng)的天線，如扼流圈天線等。

天線的實際相位中心與理論相位中心之間的偏差稱為天線相位中心偏差。理論上天線的相位中心應(yīng)該與天線的幾何中心保持一致，但實際上它會隨著輸入信號的方向和強度發(fā)生變化，使得天線的測量精度受到嚴重影響。

3 天線內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計

天線相位中心的穩(wěn)定性與天線的饋電方式有很大關(guān)系，一般情況下，饋電點數(shù)量越多，饋電位置越對稱，天線的相位中心穩(wěn)定性越好[7]，實驗中使用的天線內(nèi)核為華信天線技術(shù)有限公司自主設(shè)計的一款應(yīng)用于GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)中的天線內(nèi)核HX-HS，如圖1所示。天線采多點饋電技術(shù)，并采用多頻點設(shè)計技術(shù)，拓展帶寬的同時保證了天線相位中心具有良好的穩(wěn)定性。

該天線內(nèi)核工作在G1和G2兩個頻段，使用商業(yè)仿真軟件對其進行仿真，得到其在兩個頻段的方向圖如圖2。

圖1 天線內(nèi)核圖

圖2 微帶天線方向圖

4 扼流圈結(jié)構(gòu)設(shè)計

扼流圈是由若干個具有一定深度的同心圓槽組成的基底結(jié)構(gòu)來充當(dāng)天線接地板，同心圓槽的數(shù)量一般為三到五個，槽深通常為四分之一波長左右，以使扼流圈表面呈現(xiàn)高阻抗特性，防止在其上形成表面波，從而改變天線的增益分布，降低天線后向增益和低仰角增益，達到抑制多徑效應(yīng)的作用。扼流圈從結(jié)構(gòu)上大致可以分為單槽深單頻扼流圈、雙槽深雙頻扼流圈和三維扼流圈三類。

本文設(shè)計的扼流圈為三維扼流圈，型號為HXCGX601A，結(jié)構(gòu)如圖3和圖4，圖5為扼流圈天線的實物結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到，扼流圈由包括中心基座以及外圍的四圈同心的扼流環(huán)組成，扼流環(huán)的高度由內(nèi)向外逐漸降低，整體呈金字塔形。通過對扼流圈結(jié)構(gòu)與天線內(nèi)核的完美匹配，與傳統(tǒng)扼流圈天線相比，在保證天線抗多徑能力的情況下，提高了天線的相位中心的穩(wěn)定性和低仰角的收星能力。

圖3 扼流圈側(cè)視圖

圖4 扼流圈俯視圖

圖5 HX-CGX601A天線實物圖

5 實驗結(jié)果

使用天線內(nèi)核HX-HS與HX-CGX601A共同在暗室進行測試，并將測試結(jié)果與一款二維扼流圈天線HX-GG486A的測試結(jié)果相比較，HX-GG486A同樣采用HX-HS天線內(nèi)核，結(jié)果如圖6所示。圖6分別為HX-CGX601A與HX-GG486A在G1和G2的測試方向圖，在G1頻段，HX-CGX601A的低仰角比HX-GG486A略高，前后比相差不大；在G2頻段，HX-CGX601A的低仰角增益和前后比都要明顯優(yōu)于HX-GG486A，說明了設(shè)計的可行性。

圖6 HX-CGX601A與HX-GG486A測試方向圖

為了進一步驗證所設(shè)計扼流圈的性能，這里選取了兩款國外扼流圈AR25和750天線同HXCGX601A和HX-GG486A進行對比，AR25，750兩款扼流圈采用的天線內(nèi)核為Dorne Margolin內(nèi)核，HX-CGX601A和HX-GG486A采用HX-HS天線內(nèi)核。分別測試他們的相位中心偏差以及不同傾角情況下的天線相位中心情況，如圖7所示。

圖7 相位中心偏差校準(zhǔn)測試圖

表1～4記錄了各天線測試得到的相位中心偏差（數(shù)據(jù)來源，NGS網(wǎng)站公布數(shù)據(jù)），可以看出，修正前天線HX-CGX601A在北和東兩個方向的相位中心偏差較小。圖8為各天線的相位穩(wěn)定度曲線圖，分別使傾角Theta取0°至80°范圍，步長5°，記錄下其對應(yīng)的相位穩(wěn)定情況。從圖中可以看出修正前天線HX-CGX601A在G1和G2兩個頻段的相位穩(wěn)定度要明顯優(yōu)于其他天線，說明該天線具有良好的相位穩(wěn)定度。

表1 HX-CGX601A相位中心偏差

表2 HX-GG486A相位中心偏差

表3 AR25相位中心偏差

表4 750相位中心偏差

圖8 各天線隨仰角相位穩(wěn)定度

6 結(jié)束語

本文討論了多徑效應(yīng)及其抑制方法，并對扼流圈天線做了簡單介紹，最后設(shè)計了一款可以應(yīng)用于GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的扼流圈天線，通過對扼流圈結(jié)構(gòu)與天線內(nèi)核的匹配，提高天線的抗多徑能力和低仰角增益。通過仿真表明，該扼流圈天線的抗多徑能力比二維扼流圈有顯著地提高，并且通過與其他扼流圈的對比測試，表明天線具有良好的相位穩(wěn)定度，相位中心偏差較小，說明了該設(shè)計的可行性。

[1] Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty編，寇艷紅譯．GPS原理與應(yīng)用（第二版）[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007:218-220.

[2] 胡亞軒．Ashtech扼流圈天線相位中心穩(wěn)定性的檢驗[J]．測繪工程，2001, 10(3): 44-46.

[3] J M Tranquilla, et al. Analysis of a choke ring ground plane for multipath control in Global Positioning System(GPS) applications[J]. IEEE Trans. AP, 1994, 42(7): 905-911.

[4] Waldemar Kunysz. A three dimensional choke ring ground plane antenna[DB/OL]. www.novatel.com/documents/papers/3D_choke_ring.pdf.

[5] Vladimir Philippov. The first dual-depth dual frequency choke ring[DB/ OL]. www.topcongps.com/images/choke_ring.pdf.

[6] 高玉平，劉子懿，徐勁松等．單頻GPS接收機天線扼流圈的研制與測試[J]．時間頻率學(xué)報，2006, 29(1): 51-57

[7] 丁克乾，柯炳清．一種星載高相位穩(wěn)定度雙頻GPS天線[J]．遙測遙控，2007, 28(Z): 182-186.

Design of Dualband 3D Choke Ring Antenna

Wang Chunhua, Wu Wenping, Wang Xiaohui, Deng Wenxiong
(Harxon Corporation, Shenzhen, 518055)

The formation of multipath signals and the way of mitigating multipath effects is introduced. A 3D choke ring antenna with multipath mitigation effect is designed. The antenna can be used both in the G1 and G2 frequency bands of GNSS navigation system. Experimental results show that this antenna can effectively reduce the multipath effects with stable phase center, and also with better capacity of resisting disturbance.

multipath signal; choke ring antenna; GPS

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.004

TN82文獻標(biāo)示碼：A

1672-7274（2014）08-0015-04

王春華，男，1979年生，山東人，碩士，1999年清華大學(xué)電子工程系電磁場與微波專業(yè)研修，主要從事基站天線、衛(wèi)星定位天線、動中通天線研究。

吳文平，男，1982年生，湖南新化人，本科，2006年至今一直從事GNSS天線的研發(fā)工作。

王曉輝，男，河南人，碩士，天線助理工程師，主要研究方向為北斗、GPS天線設(shè)計等。

鄧文雄，男，廣西人，本科，主要研究方向為北斗、GPS天線LNA設(shè)計等。