李少龍，李文超

(中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107)

小型化三頻信標(biāo)接收天線設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

李少龍，李文超

(中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島 266107)

從系統(tǒng)角度出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)GPS信標(biāo)接收天線寬波束、小型化、集成化需求，設(shè)計(jì)了一副圓極化三頻信標(biāo)接收天線，重點(diǎn)進(jìn)行了小型化、一體化設(shè)計(jì)，并應(yīng)用電磁仿真軟件Feko進(jìn)行了仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)中充分考慮了金屬支撐管、安裝地板對(duì)天線性能的影響。嚴(yán)格按照優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了天線加工與組裝調(diào)試，并進(jìn)行了方向圖、增益測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果良好吻合，研究成果可直接應(yīng)用于三頻GPS信標(biāo)接收系統(tǒng)。

三頻信標(biāo)；小型化；寬波束；矩量法；圓極化天線

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電離層觀測(cè)與研究的深入，三頻GPS信標(biāo)接收天線在地面接收站的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間較短，導(dǎo)致地面站接收GPS信號(hào)的時(shí)間與范圍受到嚴(yán)重限制。該系統(tǒng)3個(gè)工作頻率分別為VHF頻段(150 MHz)、UHF頻段(400 MHz)、L頻段(1 066.7 MHz)，VHF頻段工作波長(zhǎng)為2 m，用于該頻段的常規(guī)圓極化天線口徑為1 m×1 m，口徑較大，不易于運(yùn)輸與布站。

因此，除了與接收機(jī)良好匹配，并可以同時(shí)接收三頻段信號(hào)外，該類天線在工程應(yīng)用中還有2個(gè)重要需求，即寬波束與小型化。

本文結(jié)合工程應(yīng)用需求，應(yīng)用矩量法分析方法，進(jìn)行了導(dǎo)線天線、導(dǎo)線與面元天線分析，應(yīng)用Feko仿真軟件對(duì)該天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并對(duì)實(shí)際天線進(jìn)行了方向圖與增益測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果能夠良好吻合。

1 矩量法分析方法

1.1 導(dǎo)線天線積分方程求解方法

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各種線天線性能的關(guān)鍵在于精確計(jì)算天線輻射體上高頻電流的幅度和相位。在頻率域求解天線上電流時(shí)，常用的方法是積分方程法。

Pocklington積分方程：

(1)

1.2 面元積分求解方法

在信息價(jià)值熵理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建cps信息價(jià)值綜合評(píng)價(jià)模型，通過(guò)認(rèn)知學(xué)習(xí)對(duì)信息進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整篩選，有望實(shí)現(xiàn)從海量數(shù)據(jù)中挑選“有價(jià)值”的信息進(jìn)行傳輸。

如圖1所示，RWG矢量基函數(shù)是定義在相鄰三角貼片上,是求解三角形面元的重要方法。

圖1 RWG 矢量基函數(shù)數(shù)值分析標(biāo)識(shí)

定義式：

(2)

待求的表面電流Js可近似表示為：

(3)

1.3 線面結(jié)合仿真注意

線-三角形連接模式(Wire-triangleAttachmentMode)，基函數(shù)在連接域的導(dǎo)線部分簡(jiǎn)化為脈沖基，導(dǎo)體部分則與RWG基函數(shù)一致。此種方法幾乎適用于任何線天線與任意形狀導(dǎo)體的表面、棱邊或頂點(diǎn)相連的情況。

對(duì)于詳細(xì)的積分方程離散化與矩陣建立在很多文獻(xiàn)中都有論述，本文不再贅述。

2 小型化設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 小型化設(shè)計(jì)

VHF頻段振子總體形式與L、UHF頻段相同，仍為正交偶極子，不同之處在于其末端處理。為了在有限體積內(nèi)提高VHF頻段輻射電阻，并減小電抗，設(shè)計(jì)中將VHF頻段振子末端下折，垂直加長(zhǎng)200mm，其基本形式如圖2所示。

圖2 VHF頻段振子設(shè)計(jì)原理圖

加載段上端與VHF振子直接相接，下端可通過(guò)絕緣支撐棒與金屬底板固定，這樣設(shè)計(jì)除了帶來(lái)電氣性能的改善外，還可避免運(yùn)輸階段振子受震損傷等問(wèn)題。

2.2 不平衡轉(zhuǎn)換方式選擇

綜合考慮結(jié)構(gòu)可靠性與電氣穩(wěn)定性，不平衡轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)時(shí)采用硬結(jié)構(gòu)平行雙線，末端通過(guò)金屬底板短路，形成λ/4短路傳輸線巴倫。支撐結(jié)構(gòu)及不平衡轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。

圖3 不平衡轉(zhuǎn)換原理示意圖

2對(duì)正交振子每臂均接有一根垂直于底板的金屬枝節(jié)，在4根枝節(jié)中，其中一根為硬同軸饋線，用于傳輸信號(hào)，另外3根可為實(shí)心金屬桿。該形式的不平衡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在滿足電氣性能的同時(shí)還能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐，提高天線結(jié)構(gòu)與電氣穩(wěn)定性。

2.3 優(yōu)化模型與測(cè)試模型

該三頻信標(biāo)天線設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了安裝方式及支撐結(jié)構(gòu)，并將中心支撐管與天線振子一同建模仿真優(yōu)化，仿真模型如圖4所示。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)件的加工、組裝、駐波比調(diào)試與方向圖、增益測(cè)試，測(cè)試件照片如圖5所示。

圖4 仿真優(yōu)化模型

圖5 實(shí)測(cè)模型照片

3 測(cè)試結(jié)果分析

本小節(jié)將仿真計(jì)算方向圖與實(shí)測(cè)方向圖進(jìn)行比較，以便進(jìn)行詳細(xì)分析。各頻段實(shí)測(cè)方向圖與仿真方向圖比較如圖6～圖8所示，實(shí)測(cè)增益與0dBi波束寬度如表1所示。從3個(gè)頻點(diǎn)的方向圖測(cè)試曲線可以看出：天線主波束區(qū)域測(cè)試曲線與計(jì)算曲線吻合性極高；天線背部測(cè)試曲線毛刺在150MHz、400MHz較小，在1 066.7MHz較大，主要原因是實(shí)際測(cè)試過(guò)程中使用的天線支架上帶有一些金屬固定件，突出部分較高且尺寸與L頻段振子長(zhǎng)度相當(dāng)，導(dǎo)致支撐架不對(duì)稱、與金屬平板存在差異形成的。

圖6 150 MHz方向圖比較

圖7 400 MHz方向圖比較

圖8 1 066.7 MHz方向圖比較

表1 實(shí)測(cè)增益、波束寬度對(duì)照

頻率/MHz增益/dBi0dBi波束寬度/(°)計(jì)算實(shí)測(cè)計(jì)算實(shí)測(cè)1507．67．331161084006．67．01381401066．76．75．9135130

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前GPS三頻信標(biāo)接收天線小型化、寬波束需求，應(yīng)用Feko仿真軟件對(duì)地面三頻信標(biāo)接收天線進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)優(yōu)化，并按照優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了實(shí)物加工、調(diào)試，以及方向圖、增益測(cè)試。

研究表明，小型化設(shè)計(jì)后的天線體積只有自諧振時(shí)所需體積的1/4，總體積僅為0.5 m×0.5 m×0.4 m，波束寬度明顯展寬。從方向圖比較可以看出，實(shí)測(cè)方向圖曲線與仿真曲線良好吻合；從表1的增益與波束寬度也可以看出，除L頻段方向圖背部受測(cè)試支架上金屬連接件影響導(dǎo)致部分不對(duì)稱外，實(shí)測(cè)增益、波束寬度與仿真結(jié)果吻合很好，而且優(yōu)化后的天線可直接用于實(shí)際工程。

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Design and Test Verification of Minimized Tri-band Beacon Receiving Antenna

LI Shao-long，LI Wen-chao

(China Research Institute of Radio-wave Propagation，Qingdao Shandong 266107，China)

Combining with practical engineering application requirements for the wide beam，miniaturization and integration of GPS beacon receiving antenna，a compact type of circular polarized tri-band beacon antenna used for ground receiving is designed from the view of actual system.This paper mainly focuses on minimized and integrated optimization design using the simulation software of Feko.The design takes full account of the impacts of the metal support tube and the metallic mounting ground plate on the performance of the antenna.In strict accordance with the optimization design results，a tri-band beacon verification antenna is machined，and then the radiation pattern and gain are tested.The test results are in good agreement with the design and simulation.The research results can be directly applied to the tri-band GPS beacon receiving system.

tri-band beacon；minimized；wide beam；MoM；CP antenna

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.17

李少龍，李文超.小型化三頻信標(biāo)接收天線設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].無(wú)線電通信技術(shù),2017,43(3)：68-70,75.

[LI Shaolong，LI Wenchao.Design and Test Verification of Minimized Tri-band Beacon Receiving Antenna [J].Radio Communications Technology，2017,43(3):68-70,75.]

2017-01-09

李少龍(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：短波、超短波小型化天線設(shè)計(jì)及應(yīng)用。李文超(1986—)，男，碩士，工程師，主要研究方向：寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。

TN821

A

1003-3114(2017)03-68-3