師 彬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安710068）

0 引言

接收天線是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)處理衛(wèi)星信號(hào)的首個(gè)器件，它將接收到的衛(wèi)星所發(fā)射的電磁波信號(hào)變成電壓或電流信號(hào)，接收天線的性能直接影響整個(gè)接收機(jī)的定位性能[1]。

衛(wèi)星接收天線天頂方向的增益最大，為捕獲更多衛(wèi)星信號(hào)，天線陣面普遍以水平方式安裝，但是在某些特定應(yīng)用平臺(tái)上，不支持天線以水平方式固定，并且平臺(tái)本身在運(yùn)行過(guò)程中也存在一定范圍的俯仰角度變化。

本文提出了一種兼顧接收機(jī)收星定位能力和抗干擾能力的天線陣列傾角設(shè)計(jì)方法，并以某導(dǎo)航產(chǎn)品為例，詳細(xì)描述了天線陣列傾角的完整設(shè)計(jì)過(guò)程。

1 設(shè)計(jì)原則

天線陣列傾角設(shè)計(jì)時(shí)需遵循以下兩個(gè)原則：

1.1 收星數(shù)目越多越好

平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中俯仰角不斷發(fā)生變化，天線陣列相對(duì)于水平方向的傾斜角也隨之不斷變化，為保證平臺(tái)運(yùn)行全程具備穩(wěn)定的收星定位能力，設(shè)計(jì)的天線陣列傾角需要保證平臺(tái)運(yùn)行全程接收到的衛(wèi)星數(shù)越多越好。

1.2 對(duì)抗干擾性能的影響越小越好

由于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)整機(jī)尺寸限制，天線陣列傾角越大，天線陣面的直徑會(huì)越小，天線陣子布局后各單元之間的中心間距也會(huì)變小，當(dāng)天線陣子之間的中心間距小于0.4倍接收射頻信號(hào)波長(zhǎng)時(shí)，會(huì)因耦合過(guò)強(qiáng)從而影響到整機(jī)的抗干擾性能。因此，天線陣列傾角設(shè)計(jì)過(guò)程中，需保證天線陣面尺寸對(duì)抗干擾性能的影響越小越好。

2 設(shè)計(jì)方法

采用GNSS信號(hào)模擬源，在中國(guó)及周邊區(qū)域選取若干點(diǎn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)平臺(tái)沿東、南、西、北四個(gè)方向飛行過(guò)程中，陣列天線在不同傾斜角度下的收星數(shù)量，分析陣列天線傾斜角度與收星數(shù)目之間的關(guān)系，確定在保證系統(tǒng)定位性能前提下的傾斜角度可選范圍。

在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)整機(jī)尺寸的限制下，通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真軟件，仿真陣列天線在不同傾斜角度下的陣面大小，并計(jì)算不同陣面尺寸對(duì)應(yīng)的陣子中心間距，確定滿足整機(jī)抗干擾性能下的傾斜角度可選范圍。

綜合考慮以上兩個(gè)因素，確定最佳的天線傾斜角度。

3 仿真分析

3.1 天線傾角對(duì)接收衛(wèi)星數(shù)目影響分析

3.1.1 仿真條件

（1）仿真地域：選取國(guó)內(nèi)外多個(gè)地區(qū)進(jìn)行采樣；

（2）仿真時(shí)間：分別在本地時(shí)間2021年1月6日的整點(diǎn)時(shí)間1時(shí)、6時(shí)、11時(shí)、16時(shí)和21時(shí)進(jìn)行采樣；

（3）衛(wèi)星頻點(diǎn)：設(shè)置衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)源播發(fā)B1I（1561.098MHz±2.046MHz）頻點(diǎn)信號(hào)；

（4）天線陣列傾斜角度范圍：天線與平臺(tái)夾角0°到60°范圍內(nèi)，每5°進(jìn)行一個(gè)采樣。

3.1.2 仿真結(jié)果

圖1給出了平臺(tái)在（123°E，26°N）區(qū)域運(yùn)行過(guò)程中，陣列天線在不同傾斜角度下的收星情況。其中，橫軸為天線相對(duì)平臺(tái)的傾斜角度，縱軸為平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中的收星個(gè)數(shù)。

由圖1可知：

圖1 天線不同傾斜角度對(duì)應(yīng)的收星情況

（1）天線相對(duì)平臺(tái)傾斜角度越大，平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中收到的衛(wèi)星數(shù)量越多；

（2）當(dāng)天線相對(duì)平臺(tái)傾斜角度超過(guò)35°，接收機(jī)在任意時(shí)刻均可接收到超過(guò)7顆衛(wèi)星信號(hào)。

對(duì)國(guó)內(nèi)外其他多個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行仿真分析，存在相同的規(guī)律，所以，天線相對(duì)平臺(tái)的傾斜角度最小值為35°，并且越大越好。

3.2 天線傾角對(duì)抗干擾能力的影響分析

天線陣面布局如圖2所示，采用4陣元十字形布陣方式。

圖2 天線陣面布局示意圖

陣元中心間距L的計(jì)算公式如下：

其中，N表示均勻環(huán)形布陣的陣元個(gè)數(shù)，本產(chǎn)品中N=4；Φ表示陣面直徑；r表示陣子半徑，本產(chǎn)品選用r=15 mm。

通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真軟件，仿真計(jì)算不同傾斜角度下天線陣面的大小，按照式（1）計(jì)算不同陣面對(duì)應(yīng)的陣元間距，并最終換算成BDSB1頻點(diǎn)信號(hào)波長(zhǎng)λ（λ≈192 mm）的倍數(shù)，如表1所示。

表1 陣面傾角與波長(zhǎng)換算關(guān)系表

由表1可知：

（1）天線陣面傾角越大，天線陣面直徑越小，陣元間距也越??；

（2）當(dāng)陣面傾角小于40°時(shí)，陣元間距大于0.4倍的頻點(diǎn)信號(hào)波長(zhǎng)，40°時(shí)已經(jīng)逼近0.4倍的頻點(diǎn)信號(hào)波長(zhǎng)；

（3）當(dāng)陣面傾角大于40°時(shí)，陣元間距小于0.4倍的頻點(diǎn)信號(hào)波長(zhǎng)，會(huì)因耦合過(guò)強(qiáng)影響抗干擾性能。

綜合考慮天線傾角對(duì)接收衛(wèi)星數(shù)目和抗干擾能力的影響，天線傾角最終選定為40°。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于必須進(jìn)行抗干擾天線陣列傾斜角度設(shè)計(jì)的平臺(tái)，本文提出了一種兼顧接收機(jī)收星定位能力和抗干擾能力的天線陣列傾角設(shè)計(jì)方法，為天線陣列傾角設(shè)計(jì)提供了一種可操作、可量化的設(shè)計(jì)依據(jù)。