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新式宽频带宽波束圆极化微带导航终端天线设计方案解析
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2017-11-14
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1 引言
卫星导航近年得到了越来越广泛的应用，从而带动了导航终端天线的迅速发展。目前得到广泛应用的是GPS（Global Position System）系统和GLONASS系统，正在建设中的Galileo系统也是一个全球导航定位系统。这些全球定位系统的频段各不相同，比如GPS的频带为1575.42±2.046MHz，1227.60±2.046MHz；Galileo的频带为 1164~1215MHz，1260~1300MHz和1559~1592MHz。虽然这些导航系统所采用的频率不尽相同，但频率范围都在1164~1600MHz之间，只要能设计一种宽频带天线覆盖这个频带，则该天线具有良好的通用性和兼容性，可以应用于不同的导航系统。
由于需要接收多颗导航卫星的信号才可以进行导航和定位的结算，所以终端天线需要具有宽波束；同时由于导航卫星发射右旋圆极化的导航信号，要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性。用于导航终端的天线有诸多文献报道，但基本上都是针对GPS系统，天线形式多为单频、双频、三频的微带天线；有的是不具备低剖面特点的四臂螺旋天线；这些天线的缺点是难以实现宽频段，不能完全覆盖所有卫星导航系统的频段，对于不同系统的导航的接收系统不具备兼容性。
本文提出一种微带天线，它采用L型探针馈电来展宽天线频带，采用四点馈电技术来实现圆极化，采用天线罩和天线一体化设计来保证天线具有良好的环境特性和机械特性。测试结果表明该天线的阻抗带宽达到44.3%，能够覆盖现有主要导航系统的所有工作频段，且具有良好的宽波束特性和圆极化特性，能够用于机载、星载和地面等场合。
2 天线结构
天线在HFSS中建立的模型如图1所示，金属辐射贴片直径D为56mm，厚度为1mm；天线地板为方形，边长L为80mm；天线支撑介质为方形，边长L为80mm，支撑介质的厚度H为19mm，该介质的节电常数为3.15；天线和天线罩一体化设计，天线罩和天线支撑介质为相同的介质材料，辐射贴片嵌入该介质中，天线罩的厚度H1为3mm；L型馈电探针的馈电点距天线几何中心的距离F为32mm，L型探针的高度H2为12mm，长度L1为17.4mm。
图1 天线结构
3 天线测试结果
天线实物和馈电网络照片如图2所示。天线回波损耗测试采用了Agilent 8362B矢量网络分析仪，测试结果如图3所示，可以看出回波损耗小于-10dB的频率范围为1.16GHz到1.82GHz，阻抗带宽为44.3%，覆盖了几种主流全球卫星导航系统的所有频段，具有良好的兼容性和通用性。
天线方向图和增益在微波暗室中进行测试。天线在1.227GHz所测得的E面方向图如图4所示，可以看出天线的最大增益为4.0dBi，3dB波束宽度为72°，天线在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分别为1.04 dBi、-0.79 dBi、-3.72 dBi、-6.51 dBi。天线在1.575GHz所测得的E面方向图如图5所示，可以看出天线的最大增益为4.87dBi，3dB波束宽度为83°，天线在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分别为3.7 dBi、-0.01 dBi、-3.68 dBi、-5.11 dBi。
天线轴比方向图也在微波暗室中进行测试。测试采用旋转线源法，即将发射线极化脊喇叭天线按照一定的速度（一般是被测天线转速的20倍）旋转，待测天线接收到信号上下包络的差值即为天线的轴比。天线在1.227GHz所测得的E面轴比方向图如图6所示，可以看出，在±10°角域AR《3dB，在±60°角域AR《6dB。天线在1.575GHz所测得的E面轴比方向图如图7所示，可以看出，在±50°角域AR《3dB。
卫星导航近年得到了越来越广泛的应用，从而带动了导航终端天线的迅速发展。目前得到广泛应用的是GPS（Global Position System）系统和GLONASS系统，正在建设中的Galileo系统也是一个全球导航定位系统。这些全球定位系统的频段各不相同，比如GPS的频带为1575.42±2.046MHz，1227.60±2.046MHz；Galileo的频带为 1164~1215MHz，1260~1300MHz和1559~1592MHz。虽然这些导航系统所采用的频率不尽相同，但频率范围都在1164~1600MHz之间，只要能设计一种宽频带天线覆盖这个频带，则该天线具有良好的通用性和兼容性，可以应用于不同的导航系统。
由于需要接收多颗导航卫星的信号才可以进行导航和定位的结算，所以终端天线需要具有宽波束；同时由于导航卫星发射右旋圆极化的导航信号，要求导航终端天线具有良好的右旋圆极化特性。用于导航终端的天线有诸多文献报道，但基本上都是针对GPS系统，天线形式多为单频、双频、三频的微带天线；有的是不具备低剖面特点的四臂螺旋天线；这些天线的缺点是难以实现宽频段，不能完全覆盖所有卫星导航系统的频段，对于不同系统的导航的接收系统不具备兼容性。
本文提出一种微带天线，它采用L型探针馈电来展宽天线频带，采用四点馈电技术来实现圆极化，采用天线罩和天线一体化设计来保证天线具有良好的环境特性和机械特性。测试结果表明该天线的阻抗带宽达到44.3%，能够覆盖现有主要导航系统的所有工作频段，且具有良好的宽波束特性和圆极化特性，能够用于机载、星载和地面等场合。
2 天线结构
天线在HFSS中建立的模型如图1所示，金属辐射贴片直径D为56mm，厚度为1mm；天线地板为方形，边长L为80mm；天线支撑介质为方形，边长L为80mm，支撑介质的厚度H为19mm，该介质的节电常数为3.15；天线和天线罩一体化设计，天线罩和天线支撑介质为相同的介质材料，辐射贴片嵌入该介质中，天线罩的厚度H1为3mm；L型馈电探针的馈电点距天线几何中心的距离F为32mm，L型探针的高度H2为12mm，长度L1为17.4mm。
图1 天线结构
3 天线测试结果
天线实物和馈电网络照片如图2所示。天线回波损耗测试采用了Agilent 8362B矢量网络分析仪，测试结果如图3所示，可以看出回波损耗小于-10dB的频率范围为1.16GHz到1.82GHz，阻抗带宽为44.3%，覆盖了几种主流全球卫星导航系统的所有频段，具有良好的兼容性和通用性。
天线方向图和增益在微波暗室中进行测试。天线在1.227GHz所测得的E面方向图如图4所示，可以看出天线的最大增益为4.0dBi，3dB波束宽度为72°，天线在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分别为1.04 dBi、-0.79 dBi、-3.72 dBi、-6.51 dBi。天线在1.575GHz所测得的E面方向图如图5所示，可以看出天线的最大增益为4.87dBi，3dB波束宽度为83°，天线在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分别为3.7 dBi、-0.01 dBi、-3.68 dBi、-5.11 dBi。
天线轴比方向图也在微波暗室中进行测试。测试采用旋转线源法，即将发射线极化脊喇叭天线按照一定的速度（一般是被测天线转速的20倍）旋转，待测天线接收到信号上下包络的差值即为天线的轴比。天线在1.227GHz所测得的E面轴比方向图如图6所示，可以看出，在±10°角域AR《3dB，在±60°角域AR《6dB。天线在1.575GHz所测得的E面轴比方向图如图7所示，可以看出，在±50°角域AR《3dB。
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