王夢雙，朱小奇，丁克乾，史永康

（北京遙測技術研究所 北京 100076）

引 言

衛(wèi)星導航系統(tǒng)為陸、海、空各領域提供全天候的高精度的時間、空間、速度等信息，擁有獨立的衛(wèi)星導航系統(tǒng)對國家安全具有重要戰(zhàn)略意義。由于接收機接收的衛(wèi)星信號功率很低，容易受到來自各方面信號的干擾，因此，自適應抗干擾已成為衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)不可或缺的功能。隨著無線電技術的飛速發(fā)展，衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的各種電子設備高度集成，因此，要求接收機在保證精度的需求下，盡可能小型化、輕量化。此外，在自適應抗干擾系統(tǒng)中，增加天線數(shù)量有利于提高陣列自由度，從而可以抑制更多干擾信號。因此，為了在有限的空間中放置更多天線單元，需要進一步研究天線小型化的方法[1]。在衛(wèi)星通信中，圓極化波能夠消除電離層法拉第旋轉效應引起的極化畸變損失，減少極化失配引起的能量損失，增強極化效率，同時，圓極化波還可以顯著抑制多徑效應，因此，圓極化是衛(wèi)星導航天線首選的極化形式[2]。研制結構緊湊的圓極化天線不僅可以提高通信鏈路穩(wěn)定性和效率，還可以改善天線陣列的抗干擾性能。

本文圍繞上述問題和需求展開研究，提出了一種新型的小型化圓極化天線，通過在貼片上開槽和加載容性耦合貼片的方式，將天線尺寸縮減至0.18λ0×0.18λ0，同時，天線的3-dB 軸比波瓣寬度超過120°。在此基礎上，設計了十三陣元陣列，結合基于最小噪聲方差準則的抗干擾算法，通過電磁仿真進行驗證，仿真結果表明，所設計的基于小型化圓極化天線的導航天線陣列對空間中不同來向的干擾信號具有顯著抑制效果。

1 基于容性加載技術的小型化導航天線

在導航系統(tǒng)中，接收機一般需要接收4 顆及以上衛(wèi)星的導航信號才能實現(xiàn)精確定位。由于衛(wèi)星的位置在時刻變化，因此接收機中的圓極化天線的軸比波瓣寬度特性對極化匹配特性有重要影響。為了在實現(xiàn)小型化設計的同時展寬軸比波瓣寬度，文獻[3]中LUO Yu 等人提出將兩對平行的電偶極子放置成方形結構，并保持每對電偶極子的間距約為0.4λ0，此時天線輻射的Eφ分量方向圖與Eθ分量方向圖接近，實現(xiàn)了126°的3-dB 軸比波瓣寬度。為了進一步縮小天線尺寸，文獻[4]提出采用彎折的電偶極子代替直線型電偶極子，將天線尺寸進一步縮小約34%，同時將軸比波瓣寬度展寬至135°。然而，這兩款天線均為雙向輻射，為了解決其雙向輻射的問題，提出采用微帶天線等效的磁偶極子取代電偶極子的方式，同時通過引入開槽和加載耦合短路貼片的方式，等效于彎折磁偶極子，可同時實現(xiàn)小型化和軸比波瓣寬度的展寬[5]。在筆者前期工作的基礎上，通過改進T 形耦合貼片，進一步降低天線諧振頻率，從而縮小天線尺寸。圖1 所示為筆者設計的天線結構圖，該天線采用探針雙饋方式，饋電探針連接至地板下方的威爾金森功分網(wǎng)絡實現(xiàn)正交饋電，具有良好的圓極化輻射特性。天線工作在GPS-L1頻帶（1575MHz±10MHz），天線輻射層的介質基板相對介電常數(shù)僅為εr=3.5，功分網(wǎng)絡層的介質基板相對介電常數(shù)為εr=4.4，輻射層和功分網(wǎng)絡層的介質基板厚度分別為4mm 和1mm，該天線的輻射體的平面尺寸僅為34.3mm×34.3mm，天線尺寸僅為0.18λ0×0.18λ0。表1 給出了天線的結構參數(shù)。

圖1 基于貼片開槽和容性加載技術的小型化圓極化天線結構圖Fig.1 Configuration of the proposed miniaturized CP antenna

表1 天線結構尺寸（單位：mm）Table 1 Geometrical parameters of the proposed antenna (Unit:mm)

圖2（a）為天線小型化設計演化過程。從圖2（b）可以看出，天線1 的工作頻率為2.45GHz，其峰值增益為6.68dBic。天線2 通過在貼片四周開矩形槽可以增加電流路徑，進而實現(xiàn)小型化，在同等尺寸下將工作頻率降至1.97GHz。在天線2 的基礎上，天線3 引入耦合短路貼片，進一步將天線的工作頻率降低至1.70GHz。而本文提出的天線則通過對加載的耦合短路貼片進行優(yōu)化，使用T 型容性加載短路貼片，進一步將天線工作頻率降低至1.575GHz，大大縮小了天線尺寸。

圖2 天線小型化設計過程Fig.2 Design procedure of proposed antenna

圖3 給出了所設計天線仿真的|S11|、軸比和增益隨頻率變化曲線，結果表明,天線的10-dB 阻抗帶寬可完全覆蓋工作頻段，同時在GPS-L1 頻帶仿真的|S11|均低于-20dB，匹配特性良好。天線的3-dB 軸比在工作頻帶內均低于0.9dB，極化純度高。此外，盡管天線的尺寸很小，然而天線在GPS-L1 頻帶的增益仍均高于3.4dBic，峰值增益為4.3 dBic，其3-dB 增益帶寬約為45MHz（1.597GHz～1.552GHz）。該天線在GPS-L1頻帶的輻射效率均高于72%，考慮到天線電尺寸僅為0.18λ0×0.18λ0，其仿真的增益和效率是可接受的。

圖3 天線的|S11|、軸比和增益隨頻率變化曲線Fig.3 Simulated |S11|,axis ratios and gains of the proposed antenna

圖4 為天線在1.575GHz 的3-dB 軸比波瓣寬度和方向圖。其中天線的3-dB 軸比波瓣寬度在phi=0°、45°、90°、135°面內的波瓣寬度均大于125°，滿足120°的3-dB 軸比波瓣寬度的要求。天線的3-dB 增益寬度為105°，而在120°范圍內，天線增益均高于0dBic。上述仿真結果表明，所設計的緊湊型圓極化天線滿足導航系統(tǒng)對接收天線的要求。

2 自適應抗干擾導航天線陣列

為了驗證所設計的基于容性加載技術的小型化導航天線在抗干擾系統(tǒng)中的應用，以該天線為單元組成天線陣列，并結合自適應抗干擾算法，對天線陣列的抗干擾性能進行分析。首先，將所設計天線組成圓形陣列，該陣列共包含13 個陣元，陣列分布如圖5所示，其中，坐標原點上分布1 個陣元，第二圈圓環(huán)上均勻分布4 個陣元，第三圈圓環(huán)上均勻分布8 個陣元，第二、第三圈圓環(huán)的半徑分別為57mm 和114mm，陣列中陣元之間最小間距約為0.3λ0。需要指出，由于該陣列采用了新型小型化導航天線設計，因此該13 陣元天線陣列尺寸仍較小。對傳統(tǒng)導航天線而言（例如圖2 中天線1），該尺寸僅能放置7 個天線單元，因此會大大削弱陣列的抗干擾性能。

在全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星導航信號達到地球表面時非常微弱，甚至比接收機熱噪聲還低20dB，而復雜電磁環(huán)境下各種射頻干擾信號電平則遠高于衛(wèi)星導航信號，在這種強干擾、弱信號的環(huán)境中接收機極易發(fā)生誤捕獲，因此，需要采用行之有效的導航抗干擾技術。在抗干擾系統(tǒng)中，天線陣列通常包含若干個陣元，且一般假定各陣元各項同性。每個陣元均連接兩路接收通道，各陣元接收信號經(jīng)過下變頻、低通濾波、A/D 采樣，得到正交分量xI(n)和xQ(n)，陣列處理機對xI(n)和xQ(n)進行加權完成空域濾波。因此，自適應抗干擾技術的目標就是根據(jù)當前陣列接收信號的二階統(tǒng)計特性計算最優(yōu)的陣列加權矢量，使得陣列方向圖能自適應地在干擾方向形成零陷，保證期望信號的接收。最小噪聲方差準則是自適應信號處理中一種常用的算法，該算法是以陣列輸出功率最小為目標選擇最優(yōu)加權矢量，為避免出現(xiàn)陣列加權矢量w=0 的情況，需要添加一定的約束條件，常用的約束方法是保證有用信號無失真接收，也就是使陣列對有用信號的響應為常數(shù)。因此，最小噪聲方差準則的代價函數(shù)為

圖4 天線在1.575 GHz 仿真的3-dB 軸比波瓣寬度和方向圖Fig.4 Simulated axis ratios and radiation pattern of the proposed antenna at 1.575GHz

圖5 13 陣元圓形陣列排布示意圖Fig.5 Configuration of the proposed antenna array consisting of 13 elements

其中a(θ0)為陣列的導向矢量，R=E[x(t)·xH(t)]為信號復包絡的協(xié)方差矩陣，根據(jù)線性約束最小方差準則得到的最佳加權矢量可以表示為

根據(jù)上述分析，假定圖5 中天線陣列接收到來自空間中不同方向的衛(wèi)星導航信號和9 個干擾信號，并設定系統(tǒng)中信噪比為-20dB，干噪比為40dB，衛(wèi)星導航信號的來向為（θ0=20°，φ0=180°），而9 個干擾信號來向分別為（θ=50°，φ=0°）、（θ=35°，φ=60°）、（θ=45°，φ=90°）、（θ=60°，φ=230°）、（θ=60°，φ=270°）、（θ=45°，φ=150°）、（θ=60°，φ=320°）、（θ=45°，φ=180°）和（θ=30°，φ=240°）。采用公式（2）可以得到基于LCMV 算法的自適應加權矢量，各陣元加權系數(shù)如圖6 所示。

圖6 根據(jù)LCMV 算法計算的加權系數(shù)Fig.6 The calculated weight vector based on the LCMV criterion

圖7 給出了在上述加權系數(shù)下仿真的陣列方向圖，為方便查看，圖中x、y軸分別以正弦空間中的U、V 坐標表示。其中，基于Matlab 的仿真帶入了天線單元方向圖，而基于HFSS 的仿真則采用全波仿真方法。從圖中可以看出，采用Matlab 和HFSS 仿真的方向圖一致性很好，仿真的方向圖在各干擾方向均形成零陷。表2 中列出了基于Matlab 和HFSS 仿真的陣列方向圖零深對比，可以看到二者均在干擾來向形成零陷，且零陷深度均低于-40dB，二者的零深結果整體上吻合得較好，部分方向上的差異主要由陣元間互耦引起。此外，基于HFSS 仿真的陣列方向圖在導航信號來向的歸一化增益僅比增益最大值低3.4dB。因此，上述仿真結果表明，所設計的天線陣列在圖6 所示的加權系數(shù)下能顯著地抑制干擾信號，同時，陣列對衛(wèi)星導航信號的接收能力無顯著惡化。

圖7 根據(jù)最優(yōu)加權系數(shù)得到陣列方向圖Fig.7 The simulated radiation pattern of the 13-element array with the obtained weight vector

表2 基于Matlab 和HFSS 仿真的陣列方向圖零深對比（單位：dB）Table 2 Comparison of the simulated nulls observed in the radiation patterns obtained using Matlab and HFSS (Unit:dB)

3 結束語

本論文針對導航系統(tǒng)對小型化天線和抗干擾性能的需求，提出了通過對微帶天線開槽和加載容性耦合貼片的新方法，顯著實現(xiàn)小型化的同時改善了天線的軸比波瓣寬度，將天線輻射體尺寸縮減至0.18λ0×0.18λ0，然后以該小型化天線為基礎設計了緊湊型天線陣列，并通過抗干擾算法得出最佳陣列加權矢量。該陣列在多達9 個干擾同時存在的環(huán)境中，能夠在干擾方向形成低于-40dB 的零陷，而在導航信號來向的歸一化增益僅比增益最大值低3.4dB，從而表明所設計的基于小型化圓極化天線的導航天線陣列可以在抗干擾導航系統(tǒng)中有效地抑制干擾信號。