李曉鵬，李庚祿，張華福

(廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，廣州511400)

1 引言

隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)的迅速發(fā)展，尤其是我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的興起，對(duì)多系統(tǒng)導(dǎo)航能力的需求也隨之增加。為能滿足兼容四大導(dǎo)航系統(tǒng)終端設(shè)備應(yīng)用需求，天線應(yīng)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(qiáng)和結(jié)構(gòu)更加緊湊等要求。針對(duì)目前高精度多系統(tǒng)GNSS測(cè)量型天線設(shè)計(jì)需求，在衛(wèi)星信號(hào)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(diǎn)，又要充分利用我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“北斗”核心技術(shù)資源，將是目前國(guó)內(nèi)導(dǎo)航定位企業(yè)提高衛(wèi)星導(dǎo)航、測(cè)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(dāng)前多系統(tǒng)導(dǎo)航終端設(shè)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(diǎn)[1]，是當(dāng)前高精度天線研制者的首選設(shè)計(jì)方案。研制者在設(shè)計(jì)高精度微帶貼片天線時(shí)，通常傾向選擇對(duì)稱的貼片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和饋電技術(shù)來(lái)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(guān)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(shè)計(jì)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(cè)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(shè)計(jì)，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(shí)，又實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易化設(shè)計(jì)。

2 理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

式(1)和式(2)給出了經(jīng)典的單饋點(diǎn)天線微帶貼片尺寸經(jīng)驗(yàn)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(duì)介電常數(shù)，fr為工作頻率(單位Hz)。

饋電點(diǎn)位置的選取可通過(guò)仿真和經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)

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(shí)心圓柱體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高性能微波復(fù)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(shè)計(jì)，有效地實(shí)現(xiàn)了雙頻天線單元的一體化和簡(jiǎn)易化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即低頻輻射貼片單元采用相對(duì)中軸心線對(duì)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(duì)中軸心線對(duì)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(shí)部減小[4]，進(jìn)而在一定程度上縮小了天線尺寸。同時(shí)，在天線單元外圍設(shè)計(jì)一系列對(duì)稱分布的圓柱形短路銷釘，通過(guò)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(duì)稱分布的四饋點(diǎn)饋電技術(shù)，采用一種寬帶耦合相移網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相位補(bǔ)償，進(jìn)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(luò)如圖2所示，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4個(gè)等幅且相位相差90°的電場(chǎng)信號(hào)移相合路后并在終端得到一路同相信號(hào)輸出。

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

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

3 仿真與實(shí)測(cè)分析

3.1 天線輻射單元仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

天線采用單介質(zhì)基板的優(yōu)點(diǎn)在于可通過(guò)適當(dāng)增加基板厚度進(jìn)而達(dá)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(duì)天線軸比(Axial Ratio，AR)帶寬、工作頻點(diǎn)等參數(shù)有著重要的調(diào)諧作用，尤其是對(duì)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(méi)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(yàn)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(shí)，通過(guò)仿真設(shè)計(jì)給出天線高低頻對(duì)應(yīng)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(biāo)需求。為使得天線單元能夠較好覆蓋目前在運(yùn)行的四大導(dǎo)航系統(tǒng)全部工作頻段，設(shè)計(jì)該天線低頻段(1160～1300 MHz)工作中心頻點(diǎn)約為1230 MHz和高頻段(1541～1621 MHz)工作中心頻點(diǎn)約為1580 MHz，并且在天線外邊緣對(duì)稱添加4組圓弧鋸齒便于對(duì)低頻中心頻率的微調(diào)。

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

圖4 短路銷釘對(duì)高頻天線單元軸比影響對(duì)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(shí)測(cè)2D增益方向圖，可以看出，仿真與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)2D增益對(duì)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(shí)測(cè)2D增益對(duì)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(biāo)要求大于等于5 dBi，而本文設(shè)計(jì)天線高頻和低頻天線單元實(shí)測(cè)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(jìn)而保證了接收機(jī)低仰角衛(wèi)星信號(hào)的接收質(zhì)量。

圖7 實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖9 則是配合天線單元設(shè)計(jì)的低噪聲放大電路。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)天線單元接收轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，高頻L1和低頻L2衛(wèi)星信號(hào)分別經(jīng)四饋針下饋至各自耦合饋電網(wǎng)絡(luò)并合成圓極化信號(hào)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(shí)物樣機(jī)，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(guò)饋針連接實(shí)施衛(wèi)星信號(hào)傳輸，并通過(guò)螺栓固定。在微波暗室環(huán)境下，我們測(cè)得該實(shí)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(yùn)行的四大導(dǎo)航系統(tǒng)全部衛(wèi)星工作頻點(diǎn)，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(jī)的群時(shí)延特性，天線對(duì)應(yīng)頻點(diǎn)的群時(shí)延特性直接影響到主機(jī)對(duì)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(shè)計(jì)需求，通常國(guó)內(nèi)外行業(yè)內(nèi)主流天線產(chǎn)品定義典型的天線群時(shí)延指標(biāo)小于等于10 ns，從圖中可以看到我們的天線群時(shí)延特性指標(biāo)小于等于5 ns，較好地滿足指標(biāo)要求。

圖10 天線實(shí)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(shí)測(cè)群時(shí)延Fig.12 The group delay of antenna

4 結(jié)束語(yǔ)

基于單介質(zhì)層雙頻寬帶GNSS有源微帶貼片天線設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)輻射貼片合理化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局，并借助仿真設(shè)計(jì)軟件不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅實(shí)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(shè)計(jì)更加緊湊，又實(shí)現(xiàn)寬頻帶雙頻天線的一體化、簡(jiǎn)易化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該天線裝置能夠較好滿足目前在運(yùn)行的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所有衛(wèi)星信號(hào)的接收應(yīng)用需求，有望在多系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航精確測(cè)量與定位領(lǐng)域得到重要應(yīng)用，尤其是滿足我國(guó)“北斗”產(chǎn)業(yè)終端設(shè)備的應(yīng)用需求。

[1]Sim C Y D，Lin K W，Row J S.Design of An Annular－Ring Microstrip Antenna for Circular Polarized[C]//Proceedings of 2004 IEEE Antennas and Propagation Society InternationalSymposium.Monterey，CA:IEEE，2004:471－474.

[2]Constantine A B.Antenna theory analysis and design[M].Hoboken，New Jersey:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2005.

[3]薛欣，張福順，馮昕罡，等.雙圓極化微帶天線的設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011(2):393 －397.XUE Xin，ZHANG Fushun，F(xiàn)ENG Xingang，et al.Design of dual－ circularly polarized microstrip antenna[J].Chinese Journal of Radio Science，2011(2):393 －397.(in Chinese)

[4]宋小弟，馮恩信，傅君眉.一種新型小型圓極化GPS微帶天線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，36(6):1108 －1113.SONG Xiaodi，F(xiàn)ENG Enxin，F(xiàn)U Junmin.Design and implementation of a novel miniaturized circularly polarized GPS microstrip antenna[J].Journal of Xidian University，2009，36(6):1108 －1113.(in Chinese)

[5]Waterhouse R B.Design of probe － fed stacked patches[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1999，47(12):1780 －1784.

[6]Li Xi，Yang Lin，Wang Min，et al.Wideband shorted annular stacked patch antenna for global navigation satellite system application with compact size and broad beamwidth characteristics[J].Progress In Electromagnetics Research C，2013，35(3):123 －134.

[7]Guo Y X，Bian L，Shi X Q.Broadband circularly polarized annular－ ring microstrip antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2009，57(8):2474 －2477.

[8]Caizzone S，Basta N，Dreher A.Compact GNSS antenna with circular polarization and low axial ratio[C]//Proceedings of 2012 15th International Symposium on Antenna Technology and Applied Electromagnetics.Toulouse:IEEE，2012:1 －3.