小型化抗干擾導(dǎo)航天線研究

王夢(mèng)雙，朱小奇，丁克乾，史永康

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為陸、海、空各領(lǐng)域提供全天候的高精度的時(shí)間、空間、速度等信息，擁有獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)國(guó)家安全具有重要戰(zhàn)略意義。由于接收機(jī)接收的衛(wèi)星信號(hào)功率很低，容易受到來(lái)自各方面信號(hào)的干擾，因此，自適應(yīng)抗干擾已成為衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)不可或缺的功能。隨著無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的各種電子設(shè)備高度集成，因此，要求接收機(jī)在保證精度的需求下，盡可能小型化、輕量化。此外，在自適應(yīng)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(hào)。因此，為了在有限的空間中放置更多天線單元，需要進(jìn)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(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化畸變損失，減少極化失配引起的能量損失，增強(qiáng)極化效率，同時(shí)，圓極化波還可以顯著抑制多徑效應(yīng)，因此，圓極化是衛(wèi)星導(dǎo)航天線首選的極化形式[2]。研制結(jié)構(gòu)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(wèn)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(guò)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(shí)，天線的3-dB 軸比波瓣寬度超過(guò)120°。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了十三陣元陣列，結(jié)合基于最小噪聲方差準(zhǔn)則的抗干擾算法，通過(guò)電磁仿真進(jìn)行驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于小型化圓極化天線的導(dǎo)航天線陣列對(duì)空間中不同來(lái)向的干擾信號(hào)具有顯著抑制效果。

1 基于容性加載技術(shù)的小型化導(dǎo)航天線

在導(dǎo)航系統(tǒng)中，接收機(jī)一般需要接收4 顆及以上衛(wèi)星的導(dǎo)航信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)精確定位。由于衛(wèi)星的位置在時(shí)刻變化，因此接收機(jī)中的圓極化天線的軸比波瓣寬度特性對(duì)極化匹配特性有重要影響。為了在實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)的同時(shí)展寬軸比波瓣寬度，文獻(xiàn)[3]中LUO Yu 等人提出將兩對(duì)平行的電偶極子放置成方形結(jié)構(gòu)，并保持每對(duì)電偶極子的間距約為0.4λ0，此時(shí)天線輻射的Eφ分量方向圖與Eθ分量方向圖接近，實(shí)現(xiàn)了126°的3-dB 軸比波瓣寬度。為了進(jìn)一步縮小天線尺寸，文獻(xiàn)[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(jìn)一步縮小約34%，同時(shí)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(wèn)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(shí)通過(guò)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(shí)實(shí)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(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)T 形耦合貼片，進(jìn)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(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)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(luò)實(shí)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(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)僅為εr=3.5，功分網(wǎng)絡(luò)層的介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)為εr=4.4，輻射層和功分網(wǎng)絡(luò)層的介質(zhì)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(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 基于貼片開槽和容性加載技術(shù)的小型化圓極化天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Configuration of the proposed miniaturized CP antenna

表1 天線結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)演化過(guò)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(guò)在貼片四周開矩形槽可以增加電流路徑，進(jìn)而實(shí)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(chǔ)上，天線3 引入耦合短路貼片，進(jìn)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(guò)對(duì)加載的耦合短路貼片進(jìn)行優(yōu)化，使用T 型容性加載短路貼片，進(jìn)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(shè)計(jì)過(guò)程Fig.2 Design procedure of proposed antenna

圖3 給出了所設(shè)計(jì)天線仿真的|S11|、軸比和增益隨頻率變化曲線，結(jié)果表明,天線的10-dB 阻抗帶寬可完全覆蓋工作頻段，同時(shí)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(nèi)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(nèi)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(nèi)，天線增益均高于0dBic。上述仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的緊湊型圓極化天線滿足導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)接收天線的要求。

2 自適應(yīng)抗干擾導(dǎo)航天線陣列

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的基于容性加載技術(shù)的小型化導(dǎo)航天線在抗干擾系統(tǒng)中的應(yīng)用，以該天線為單元組成天線陣列，并結(jié)合自適應(yīng)抗干擾算法，對(duì)天線陣列的抗干擾性能進(jìn)行分析。首先，將所設(shè)計(jì)天線組成圓形陣列，該陣列共包含13 個(gè)陣元，陣列分布如圖5所示，其中，坐標(biāo)原點(diǎn)上分布1 個(gè)陣元，第二圈圓環(huán)上均勻分布4 個(gè)陣元，第三圈圓環(huán)上均勻分布8 個(gè)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(dǎo)航天線設(shè)計(jì)，因此該13 陣元天線陣列尺寸仍較小。對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)航天線而言（例如圖2 中天線1），該尺寸僅能放置7 個(gè)天線單元，因此會(huì)大大削弱陣列的抗干擾性能。

在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)達(dá)到地球表面時(shí)非常微弱，甚至比接收機(jī)熱噪聲還低20dB，而復(fù)雜電磁環(huán)境下各種射頻干擾信號(hào)電平則遠(yuǎn)高于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，在這種強(qiáng)干擾、弱信號(hào)的環(huán)境中接收機(jī)極易發(fā)生誤捕獲，因此，需要采用行之有效的導(dǎo)航抗干擾技術(shù)。在抗干擾系統(tǒng)中，天線陣列通常包含若干個(gè)陣元，且一般假定各陣元各項(xiàng)同性。每個(gè)陣元均連接兩路接收通道，各陣元接收信號(hào)經(jīng)過(guò)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(jī)對(duì)xI(n)和xQ(n)進(jìn)行加權(quán)完成空域?yàn)V波。因此，自適應(yīng)抗干擾技術(shù)的目標(biāo)就是根據(jù)當(dāng)前陣列接收信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)特性計(jì)算最優(yōu)的陣列加權(quán)矢量，使得陣列方向圖能自適應(yīng)地在干擾方向形成零陷，保證期望信號(hào)的接收。最小噪聲方差準(zhǔn)則是自適應(yīng)信號(hào)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(biāo)選擇最優(yōu)加權(quán)矢量，為避免出現(xiàn)陣列加權(quán)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(hào)無(wú)失真接收，也就是使陣列對(duì)有用信號(hào)的響應(yīng)為常數(shù)。因此，最小噪聲方差準(zhǔn)則的代價(jià)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(dǎo)向矢量，R=E[x(t)·xH(t)]為信號(hào)復(fù)包絡(luò)的協(xié)方差矩陣，根據(jù)線性約束最小方差準(zhǔn)則得到的最佳加權(quán)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(lái)自空間中不同方向的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)和9 個(gè)干擾信號(hào)，并設(shè)定系統(tǒng)中信噪比為-20dB，干噪比為40dB，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的來(lái)向?yàn)椋é?=20°，φ0=180°），而9 個(gè)干擾信號(hào)來(lái)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(yīng)加權(quán)矢量，各陣元加權(quán)系數(shù)如圖6 所示。

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

圖7 給出了在上述加權(quán)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(biāo)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(duì)比，可以看到二者均在干擾來(lái)向形成零陷，且零陷深度均低于-40dB，二者的零深結(jié)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(dǎo)航信號(hào)來(lái)向的歸一化增益僅比增益最大值低3.4dB。因此，上述仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的天線陣列在圖6 所示的加權(quán)系數(shù)下能顯著地抑制干擾信號(hào)，同時(shí)，陣列對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的接收能力無(wú)顯著惡化。

圖7 根據(jù)最優(yōu)加權(quán)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(duì)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(jié)束語(yǔ)

本論文針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)小型化天線和抗干擾性能的需求，提出了通過(guò)對(duì)微帶天線開槽和加載容性耦合貼片的新方法，顯著實(shí)現(xiàn)小型化的同時(shí)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(chǔ)設(shè)計(jì)了緊湊型天線陣列，并通過(guò)抗干擾算法得出最佳陣列加權(quán)矢量。該陣列在多達(dá)9 個(gè)干擾同時(shí)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(dǎo)航信號(hào)來(lái)向的歸一化增益僅比增益最大值低3.4dB，從而表明所設(shè)計(jì)的基于小型化圓極化天線的導(dǎo)航天線陣列可以在抗干擾導(dǎo)航系統(tǒng)中有效地抑制干擾信號(hào)。