中國(guó)西南電子技術(shù)研究所 侯祿平

目前國(guó)內(nèi)外已投入運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有我國(guó)北斗（BD）系統(tǒng)、美國(guó)GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐洲Galileo系統(tǒng)。我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)迅猛發(fā)展，在越來(lái)越多領(lǐng)域應(yīng)用推廣。某艦船電子系統(tǒng)為了提升可靠性，需要增加北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，并要求同時(shí)兼容GPS和GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)。受艦船安裝平臺(tái)的限制，增加兼容三種導(dǎo)航系統(tǒng)的天線(xiàn)升級(jí)改造需要在原全向通信天線(xiàn)位置處完成，即需要將全向通信天線(xiàn)和導(dǎo)航天線(xiàn)組合設(shè)計(jì)安裝，采用一個(gè)組合天線(xiàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)全向通信信號(hào)收發(fā)和導(dǎo)航信號(hào)接收。本文針對(duì)該背景，設(shè)計(jì)了一種新型的全向通信天線(xiàn)與多頻段導(dǎo)航天線(xiàn)集成的組合天線(xiàn)，達(dá)到小型化安裝要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種電子系統(tǒng)的功能。

高性能導(dǎo)航天線(xiàn)主要采用微帶天線(xiàn)。馬麗在文章《北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的“千里眼”—多頻圓極化微帶天線(xiàn)》中，以及臧志斌等在文章《應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻圓極化天線(xiàn)》中分別總結(jié)了衛(wèi)星導(dǎo)航多頻微帶天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的幾種方法，包括：堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻天線(xiàn)，多元法實(shí)現(xiàn)多頻天線(xiàn)，縫隙加載實(shí)現(xiàn)多頻天線(xiàn)，以及加載臂結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多頻天線(xiàn)。實(shí)現(xiàn)全向天線(xiàn)的方法很多，主要有偶極子天線(xiàn)、單極子天線(xiàn)、錐天線(xiàn)等形式。段恒毅在論文《單圓錐天線(xiàn)與GPS天線(xiàn)的組合設(shè)計(jì)》中給出了單錐天線(xiàn)與GPS天線(xiàn)組合設(shè)計(jì)的一種方法。這種組合設(shè)計(jì)有效的解決了天線(xiàn)和GPS天線(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，以及兩種功能天線(xiàn)相互影響的問(wèn)題。但針對(duì)目前的平臺(tái)的需求，該方案存在以下不足：（1）單錐天線(xiàn)的高度無(wú)法滿(mǎn)足安裝要求，需要進(jìn)一步減小高度尺寸。（2）導(dǎo)航天線(xiàn)僅支持GPS功能，無(wú)法同時(shí)兼顧三種導(dǎo)航系統(tǒng)。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種新的組合設(shè)計(jì)方法。在上述單錐天線(xiàn)的基礎(chǔ)上，將全向通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)為頂部中空的“同心套筒”單極子結(jié)構(gòu)，套筒結(jié)構(gòu)增加了電流路徑，壓縮了單極子天線(xiàn)的高度，從而使整個(gè)組合天線(xiàn)的尺寸滿(mǎn)足系統(tǒng)要求，其頂部中空部分仍可以騰出空間用于安裝導(dǎo)航天線(xiàn)。此外，采用高介電常數(shù)基板設(shè)計(jì)堆疊微帶天線(xiàn)，且上層微帶采用雙點(diǎn)饋電，并設(shè)計(jì)一層功分器為其饋電，解決多頻導(dǎo)航天線(xiàn)工作的帶寬問(wèn)題和小型化問(wèn)題，從而確保單極子頂部的空間足夠安裝。

1 天線(xiàn)組合設(shè)計(jì)

1.1 多頻段導(dǎo)航天線(xiàn)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，導(dǎo)航天線(xiàn)工作于BD-B1、BD-B3、GPS-L1和GLONASS-G1幾個(gè)頻段。根據(jù)幾個(gè)頻段的分布特點(diǎn)，在BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3頻段各設(shè)計(jì)一個(gè)天線(xiàn)單元滿(mǎn)足帶寬需求。BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1頻段采用雙點(diǎn)饋電圓形微帶，以保證整個(gè)頻帶內(nèi)性能指標(biāo)需要。BD-B3頻段天線(xiàn)單元為單點(diǎn)饋電圓形微帶片，兩天線(xiàn)單元疊層放置。疊層微帶天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，上層是BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1頻段天線(xiàn)，中間層是為此天線(xiàn)饋電的功分器和移相器，底層是BD-B3頻段天線(xiàn)。

圖1 導(dǎo)航天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖

為了達(dá)到帶寬要求和尺寸要求，BD-B1/GPS-L1/GLONASS-G1和BD-B3頻段天線(xiàn)單元輻射層各采用一層介電常數(shù)為10的板材。圖1中饋電層為帶狀線(xiàn)功分器和移相器狀線(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用兩層含電阻層板材層壓形成。

1.2 小型化全向天線(xiàn)設(shè)計(jì)

通信天線(xiàn)工作于L頻段，需要在方位面形成全向方向圖。本文將天線(xiàn)輻射體設(shè)計(jì)為頂部中空的“同心套筒”單極子和底盤(pán)兩部分，二者之間聚四氟乙烯材料作支撐，如圖2所示。中空部分用于放置導(dǎo)航天線(xiàn)及有源模塊。套筒單極子的饋電結(jié)構(gòu)為剛性同軸電纜，此同軸電纜同時(shí)也是導(dǎo)航信號(hào)的傳輸通道。兩種天線(xiàn)信號(hào)在底部的信號(hào)分離器中分開(kāi)。

圖2 通信天線(xiàn)設(shè)計(jì)圖

1.3 天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

組合天線(xiàn)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通信全向天線(xiàn)頂部中空部分安裝導(dǎo)航天線(xiàn)和放大電路模塊。各部分零件通過(guò)螺裝完成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖3 天線(xiàn)整體結(jié)構(gòu)

2 仿真與驗(yàn)證

2.1 天線(xiàn)電性能仿真

對(duì)組合天線(xiàn)整體進(jìn)行建模仿真分析。導(dǎo)航天線(xiàn)俯仰面增益方向圖如圖4(a)所示，在各個(gè)工作頻率，仰角30°增益均大于-1.6dBi，仰角60度增益均大于0.7dBi。通信天線(xiàn)方位面增益方向圖如圖4(b)所示，增益為0.7dBi，不圓度為0.4dB。兩種天線(xiàn)指標(biāo)均達(dá)到系統(tǒng)要求。

圖4 組合天線(xiàn)增益方向圖

2.2 實(shí)物加工與測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)上述仿真分析，加工制造該組合天線(xiàn)的實(shí)物如圖5所示。實(shí)測(cè)天線(xiàn)尺寸為：高度65mm，直徑180mm，滿(mǎn)足系統(tǒng)安裝要求，達(dá)到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖5 組合天線(xiàn)實(shí)物

對(duì)天線(xiàn)實(shí)物進(jìn)行電性能測(cè)試。導(dǎo)航天線(xiàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，在各工作頻率，仰角30°增益均優(yōu)于-2.5dBi，仰角60°增益均優(yōu)于0dBi。全向天線(xiàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，方位面增益為0.4dBi，不圓度為0.9dB。從測(cè)試結(jié)果表可以看到，測(cè)試值與設(shè)計(jì)值吻合良好，且都達(dá)到了系統(tǒng)要求的指標(biāo)。

表1 導(dǎo)航天線(xiàn)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 通信天線(xiàn)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

本文提出了一種多頻導(dǎo)航天線(xiàn)與全向天線(xiàn)組合設(shè)計(jì)方法，解決了艦船電子系統(tǒng)需要增加北斗、GPS、GLONSS導(dǎo)航功能，但又不增加安裝代價(jià)的工程難題。通過(guò)仿真分析與實(shí)物測(cè)試，驗(yàn)證了本文組合設(shè)計(jì)方法的正確性。