一種單空氣介質(zhì)層GNSS測量型天線設(shè)計

李曉鵬 李庚祿 張華福

【摘要】本文設(shè)計了一款單空氣介質(zhì)層測量型有源貼片天線，天線結(jié)構(gòu)采用單層空氣介質(zhì)作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）貼片天線高低頻段的電場輻射層，通過對高頻貼片外邊緣鋸齒化處理和低頻貼片內(nèi)邊緣鋸齒化接地以及其外邊緣設(shè)置鋸齒輻射單元，使天線整體尺寸減小約20%。通過HFSS軟件優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了GNSS天線的成本低、體積小、增益高、軸比頻帶較寬、圓極化性能好等特點。同時，天線輻射貼片結(jié)構(gòu)在設(shè)計上滿足高低頻相位中心高程差較小。本文所設(shè)計天線滿足覆蓋四大在運行衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的高低信號頻段，并且采用對稱的四饋針饋電技術(shù)使得天線表現(xiàn)出良好的圓極化性能和相位中心穩(wěn)定性，尤其適合于GNSS精確測量與精準(zhǔn)定位系統(tǒng)終端設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】空氣介質(zhì);衛(wèi)星導(dǎo)航;貼片天線;圓極化;終端設(shè)備

1.引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，綜合運用GPS、GLONASS、COMPASS、GALILEO四種衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行導(dǎo)航定位，使得終端設(shè)備既具有定位精度高、相對使用可靠的特點，同時又充分利用我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗核心技術(shù)資源，是目前提高衛(wèi)星導(dǎo)航、測量與定位可靠性的最佳解決方案之一。與此同時，也迫切需要發(fā)展一款具有多頻段、寬波束帶寬、高增益、廣角軸比等綜合性能較優(yōu)的導(dǎo)航天線，使其滿足四星導(dǎo)航系統(tǒng)的搜星定位精度要求。微帶天線具有形狀小、成本低、易共形和易加工等優(yōu)點[1-5]，選擇特定的貼片形狀和饋電方式較容易獲得圓極化模式，因此被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。研制者發(fā)現(xiàn)貼片的形狀是影響天線性能的主要因素之一，它直接影響著天線的寬度、頻率、增益等重要指標(biāo)，并且介質(zhì)材料的選擇對各項性能指標(biāo)也有著極其重要的影響，所以在天線的設(shè)計時需要進行綜合考慮，從而選擇符合實際需要的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常微帶天線多數(shù)加工在高介電常數(shù)的介質(zhì)上，這種天線設(shè)計在低仰角性能較好，并且滿足波束寬度和帶寬較寬，而且具有良好的廣角圓極化特性，但是往往這些高性能的介質(zhì)材料價格較貴，對于這種性能穩(wěn)定并且較為成熟的介質(zhì)材料品種比較單一，這對高精度導(dǎo)航定位天線的研制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文立足于節(jié)約成本和節(jié)能環(huán)保的角度設(shè)計了一款采用單空氣介質(zhì)層實現(xiàn)雙頻有源微帶貼片天線，通過對貼片結(jié)構(gòu)的靈活處理實現(xiàn)了雙頻有源天線的低成本、小型化、高增益、寬角軸比和寬波束帶寬等性能。同時，通過利用巧妙的輻射面設(shè)計滿足低仰角性能參數(shù)較優(yōu)設(shè)計。

2.天線理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 理論分析

本文天線結(jié)構(gòu)采用高低頻微帶貼片共用單層空氣介質(zhì)層，由于空氣介質(zhì)具有較低的介電常數(shù)，所以能夠達到擴寬微帶貼片天線帶寬的目的。而為了進一步擴寬天線工作帶寬，常通過增加輻射介質(zhì)基板厚度的方法實現(xiàn)，但是介質(zhì)基板過厚將直接導(dǎo)致較為嚴(yán)重的表面波激勵，從而降低了微帶天線的輻射頻率。因此在設(shè)計時，選擇合適的介質(zhì)基板厚度變得更加重要。

根據(jù)微帶貼片天線理論分析表明[6]，微帶天線在工作過程中會激勵起表面波，其截止頻率為：

（1）

其中，為表面波截止頻率，n為表面波的模式，c為真空中的光速，h為介質(zhì)基板厚度，為介質(zhì)襯底的相對介電常數(shù)。所以針對上述理論，選擇合適的介質(zhì)厚度和介電常數(shù)可以有效抑制表面波效應(yīng)和減少因表面波散射惡化引起的交叉極化性能、工作帶寬較窄和輻射增益較差等現(xiàn)象。

本文高低頻天線設(shè)計是基于圓形貼片天線設(shè)計基本理論，即圓形貼片尺寸大小由下式給出：

（2）

（3）

其中，為微帶矩形貼片的實際長度，是由邊緣效應(yīng)引起的電納可用延伸長度。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文天線結(jié)構(gòu)圖，如圖1和圖2所示，介質(zhì)基板部分采用厚度為10mm的空氣層，天線高頻輻射貼片單元采用鋸齒圓并將其置于厚度為1mm的高頻PCB板（RO4550B）的上層，低頻輻射貼片單元采用內(nèi)部鋸齒狀接地的類圓環(huán)結(jié)構(gòu)且位于高頻PCB板的下層，即環(huán)狀貼片內(nèi)邊緣鋸齒化接地和外邊緣與垂直地面的矩形鋸齒輻射單元相連接。由于天線采用較長圓柱形探針進行下饋電，導(dǎo)致天線輸入阻抗的電感性增強，影響了天線的工作帶寬，在天線單元外圍設(shè)計一系列與低頻貼片輻射鋸齒單元一一對應(yīng)的接地容性單元，并通過調(diào)整鋸齒尺寸、數(shù)量以及鋸齒間距等使其等效電容值達到較佳，進而極大地改善天線輸入信號的阻抗特性。同時，矩形鋸齒的存在使輻射貼片表面電流的路徑變長，即等效于增加了激勵貼片單元的外半徑，使天線在諧振環(huán)中輸入阻抗的實部減小[7-8]，并在一定程度上縮小了天線尺寸。天線高低頻貼片在結(jié)構(gòu)上的布局使其相位中心測量高程差較小，這將極大地改善天線的測量和定位精度。本文設(shè)計天線依然采用四饋針饋電技術(shù)，四個饋電點采用不同的相移進行相互補償，以保證了天線單元在工作頻帶內(nèi)具有較好的阻抗帶寬、圓極化性能、抑制交叉極化和軸比特性，同時也保證了天線相位中心更加穩(wěn)定，相移網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)剖面視圖

圖2 天線結(jié)構(gòu)底部視圖

圖3 相移耦合網(wǎng)絡(luò)

3.數(shù)據(jù)仿真

采用基于有限積分法的電磁仿真軟件HFSS對所設(shè)計的天線進行優(yōu)化設(shè)計，軸比仿真結(jié)果如圖4所示，天線高頻和低頻低于3dB的軸比角度范圍分別為-90°--90°和-102°--102°，進而保證了天線在較寬的波束范圍內(nèi)實現(xiàn)了良好的圓極化特性[9]。通過仿真得出天線高低頻對應(yīng)的增益分別約為6.75dBi和6.86dBi，較好地滿足天線設(shè)計增益指標(biāo)需求。從圖5給出的天線2D模式增益方向圖可以看出，天線在低仰角的增益得到很大改善，這將極大地改善天線在低仰角的衛(wèi)星信號跟蹤和接收能力，進而能夠保證天線具備更高的測量和定位精度。

圖4 天線高頻和低頻軸比

圖5 天線高頻和低頻2D模式方向圖

針對本文設(shè)計的單層空氣介質(zhì)層新型結(jié)構(gòu)天線，位于空氣介質(zhì)層內(nèi)的接地鋸齒和外圍輻射調(diào)諧鋸齒輻射單元的存在在很大程度上改善了天線輻射方向圖的波束形狀和天線增益，并且通過調(diào)整這些電輻射單元的結(jié)構(gòu)尺寸和數(shù)量可以獲得較寬的波束寬度、較高的天線增益和全方位的輻射模式場。從圖5可以看出，該天線增益具有較小的前后比，這將極大地改善低仰角衛(wèi)星信號的接受能力。

圖6 天線高頻方向圖

圖7 天線低頻方向圖

圖6和圖7給出高低頻段激勵貼片天線左旋和右旋增益隨頻率的變化趨勢，從圖中可以看出天線右旋增益在工作頻帶內(nèi)較為平坦并滿足指標(biāo)增益需求，并且左旋增益均比較低，進而保證了該天線在高低頻段均具有較好的右旋圓極化特性。

4.結(jié)論

本文設(shè)計了一款新型單空氣介質(zhì)層GNSS多頻有源微帶貼片天線，借助HFSS仿真軟件通過不斷對天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和改進，不僅使天線結(jié)構(gòu)尺寸縮小約20%，而且保證天線具有輻射增益高、廣角軸比特性優(yōu)異、波束帶寬較寬、圓極化性能好、相位中心穩(wěn)定、低仰角性能參數(shù)好等優(yōu)良特性。該天線單元能夠滿足在運行的四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高低信號頻段各項性能指標(biāo)需求，對今后全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高精度全頻段測量性天線的研制具有重要參考價值。

參考文獻

[1]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)計與實現(xiàn)[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報，2009，36（6）：1108-1113.

[2]趙麗娟，邵曉亮，鄒永慶，吳先良，楊代明.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（24）：91-93.

[3]田曉青，劉少斌，張學(xué)勇，周良.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一種圓極化微帶天線[J].信息化研究，2011，37（2）：22-24.

[4]Wang EnCheng，Zhang Chang，Zhang ChangNian.Broad-band Circularly Polarized Patch Antenna for Multi-Mode Navigation Application[J].International Journal of Computer Science Issues，2012，6（9）：44-48.

[5]J.-H.Oh，Y.-P.Hong，and J.-G.Yook， Dual circularly-polarized stacked patch antenna for GPS/SDMB[J].Wave Technol，2010：252-255.

[6]Waterhouse R B.Design of probe-fed stacked patches[J].IEEE Trans Antennas Pmpagat，1999，47（12）：1780-1784.

[7]Xi Li，Lin Yang，Min Wang，Yi Wang，Xi Chen，and Juan Lei. 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）：123-134.

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

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

作者簡介：李曉鵬（1987—），男，山東菏澤人，碩士，現(xiàn)供職于廣州中海達衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司研發(fā)中心基礎(chǔ)研究院，主要從事衛(wèi)星測量型天線以及接收機終端設(shè)備相關(guān)研究工作。