1 引言

由于全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠提供導航、測量、定位和授時等功能，在經濟發(fā)展、科學研究、災害防控以及軍事等諸多領域得到應用和發(fā)展[1]。天線作為衛(wèi)星導航接收機中的一個至關重要的單元，受到大家廣泛研究。因為多頻多模有助于觀測更多的星座，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)實意義。本文提出了一種單層空氣介質型的新型貼片天線[2]，克服了一般微帶天線帶寬窄的缺點[3]，工作頻段為1160MHz～1615MHz，支持北斗二代、GPS、GLONASS和GALILEO的信號接收，對其進行仿真和分析，研究結果表明，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，為實際項目的開展奠定了基礎[4～6]。

2 天線設計

2.1 天線單元設計

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絡組成，如圖1。其中輻射單元由薄銅片折疊成形。

這種結構的天線具有以下優(yōu)點：

（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。相比傳統(tǒng)的高頻材料（微帶天線的基板），成本很低。

（2）結構簡單：單層結構就可以實現(xiàn)寬帶信號接收，配件少，可靠性高。

（3）加工簡單：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)微帶天線介質基板密度大，產品重?？諝饷芏刃?，重量輕。

（5）性能優(yōu)越：采用空氣介質天線表面不會形成表面波，從而使天線性能更好。此外，寄生單元的運用，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，更加利于精確測量定位。

圖1 天線的結構

圖2 饋電網絡

2.2 饋電網絡設計

饋電網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四個等幅且相位相差90°的電場信號合路移相后終端得到一路同相信號輸出。為了天線工作頻帶1160MHz～1615MHz，采用2個正交（90°)耦合器和1個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[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，正方形的貼片邊長大小為57.25mm，貼片距離地板高度31.5mm(空氣介質高)，外圍采用由8個金屬柱體和FR4板寄生電路。然后利用HFSS對天線進行了建模和仿真，結果見圖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到6.0dBic以上，保證對低仰角衛(wèi)星信號接收效果好，確保在一些遮擋較嚴重的場合仍能正常收星[10]。

3.2 饋電網絡建模仿真與分析

饋電網絡中的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的帶狀結構實現(xiàn)的。仿真結果見圖5、圖6。[11]

圖5 插入損耗

圖6 相位平衡

由圖5、圖6可見，饋電網絡插入損耗小于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對測量精度的影響。

4 結論

本文所設計的一種單層寬帶GNSS天線，對貼片天線和饋電網絡仿真結果顯示在工作頻段內獲得較好參數(shù)，單層輻射單元和四點饋電，不僅結構也簡單，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，相信它將會具有廣泛的應用前景。由于這種天線尺寸相對較大，天線的小型化將是我們的后續(xù)研究重點。

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