北斗高精度测量型天线的研究

吴多龙 周梓发 李 瑞 鲍志雄

（1.广东工业大学物理与光电工程学院，广东 广州 510006；2.广州市中海达测绘仪器有限公司，广东 广州 511400）

1.引 言

利用卫星定位系统进行高精度测量在测绘领域具有广泛的应用，但是对天线的性能提出了更高的要求。文献［1］指出了影响测量型天线精度的主要因素之一是天线的相位中心稳定性，硬件解决方法是研制电气相位中心偏差为零的天线。文献［2］应用四点均匀馈电技术，改善了相位方向图的轴向对称性，确保了相位中心的稳定。文献［3］［4］利用四个L型探针进行馈电，不仅可以展宽微带天线的阻抗带宽，而且在宽角度内展宽了轴比（AR≤3dB）带宽。文献［5］应用4个带帽的容性探针进行馈电，实验表明阻抗和轴比带宽都得到了展宽。利用多点馈电技术可以有效地展宽天线的轴比和阻抗带宽，改善天线方向图的轴向对称性，提高天线的相位中心稳定度。

CNSS是中国自主开发的卫星定位与通信系统，可向用户提供全天候、高精度即时定位服务，定位精度与GPS相当。目前，国内关于北斗高精度测量型天线的研究甚少。因此，文中设计了一种高精度测量型天线，可以同时工作在北斗卫星二号系统的两个频段（B1：1561MHz，B2：1207MHz），并且通过多点均匀馈电技术实现了良好的右旋圆极化特性，同时确保了相位中心的稳定，对RTK固定解进行测试偏差在±3cm以内。该天线可以广泛应用于地震测量、公路铁路测量、港口建设规划、航行标志定位设置等。

2.理论分析

2.1 天线分析

文献［6］分析了单馈点实现圆极化和微带天线小型化的新途径，文献［7］给出了CAD公式分析贴片切角工作原理，文献［8］利用FDTD算法对有源集成天线的模拟和设计，实验表明此方法的有效性，文献［9］详细分析了多馈点实现圆极化的原理。因此，综合天线性能和设计难度，文中采用正方形贴片形式，设计了一种有源天线，该天线由辐射单元和低噪声放大器组成。其中，辐射单元由两层叠加而成分别对应于两个频段的接收，馈电方式采用背馈。四个带帽容性探针穿过底层贴片过孔，对上层贴片B1频段进行馈电，另四个带帽容性探针对底层贴片B2频段进行馈电。通过在两贴片的中心加一短路针来缩减天线的尺寸，短路针和同轴探针之间形成强耦合等效于加载一个电容，使得天线在低于谐振频率位置达到阻抗匹配，从而缩减天线的尺寸。右旋圆极化通过馈电网络来实现，馈电点信号相位按照顺时针依次相差90°.这种多点均匀馈电技术确保了天线单元在工作频带内具有良好的阻抗带宽及轴比特性，同时相位中心更加稳定，天线的结构如图1、2所示。

天线由两层组成，上层为B1频段由3部分组成，从上至下依次是：辐射贴片，介质基板（基板材料相对介电常数为εr，厚度为h1），金属接地板。下层为B2频段同样也由3部分组成分别是：辐射贴片，介质基板（基板材料相对介电常数为εr，厚度为h2），金属接地板，两层之间通过螺钉安装。

2.2 天线设计

根据微带天线理论［10］，当εr及hi（i＝1、2）已知时，天线的宽度W影响着微带天线的辐射方向性，辐射电阻及输入阻抗，也就影响着频带宽度和辐射效率。另外，W的尺寸直接支配着微带天线的总尺寸。在安装尺寸允许的条件下W选取适当的大小对频带，效率及阻抗匹配都是有利的，但是当W尺寸大于下式给出的值时将产生高次模。

式中：c为光速；fr是谐振频率。

根据理论计算，结合CST的仿真优化得出最终的天线尺寸，结构如图3所示。图3（a）是B1频段的辐射贴片结构，在贴片的各边加载了三条短截线。图3（b）是B2频段的辐射贴片结构，在贴片各边加载了五条短截线和切角来调谐天线的谐振频率，此方法使辐射电极呈分形排列，等效长度增大达到缩减天线尺寸目的。

辐射贴片是利用正方形设计的，w为贴片宽度，s为基板宽度，h为基板厚度，l和t分别为短截线的宽和长，q为贴片的切角垂直长度，d为馈电点距离中心的位置，εr为相对介电常数。带帽容性探针1、2、3、4是B1频段的馈电点，提供四个等幅、正交、相位依次顺时针相差90°的信号，其相位分别为0°、90°、180°、270°以确保天线接收圆极化波和相位中心的稳定，带帽容性探针5、6、7、8是B2频段的天线馈点。天线的具体尺寸值如表1所示。

表1 上下层辐射单元的尺寸（单位／mm）

2.3 移相网络设计

微波有源放大电路直接影响着接收信号的信噪比，要求其噪声系数小、增益高和动态范围大。由于正方形微带天线和带帽容性探针的特性阻抗均是50Ω，为了实现放大器最佳噪声系数和高增益，必须设计输入和输出匹配网络。北斗卫星工作频率为L波段，应采用微波混合集成电路技术。根据接收机增益和噪声性能的要求，可以采用两级放大的电路形式。为使从辐射贴片接收到的多路信号耦合成一路信号最终由一个SMB接口输入到接收机，其移相网络的设计是关键。B1频段的四个馈点信号由两个3 dB电桥耦合成两路信号，经微带线1与微带线2传输到3dB电桥3耦合成一路信号，其中微带线2比微带线1长1／4λ，其中λ是波长，如图4所示。

3.数值仿真与实测结果

采用电磁仿真软件CST对天线进行数值计算，图5给出了天线的仿真和实测参数结果。从图5看出，仿真和实测结果在谐振频率符合得较好，两频段电压驻波比（VSWR＜1.2）符合实际应用要求。但是由于天线加工工艺和实际测量环境影响下，仿真和实测结果存在着偏差。图6给出了1561MHz和1207MHz实测与仿真方向图对照，实线表示实测结果，虚线表示仿真结果，实测与仿真吻合得较好。

根据仿真天线的尺寸，设计加工了一个实物天线。把实物天线与低噪声放大器组装成有源天线。对RTK固定解进行了测试水平面X－Y坐标下偏差在±3cm以内，垂直高度H坐标下偏差也在±3 cm以内，满足实际高精度测量的应用，其测试结果如图7、8所示，图9为天线实物图照片。

4.结 论

根据我国北斗卫星二号系统的两个频段，设计了一种高精度测量型天线。此天线的驻波比和轴比都比单馈电点的天线优良，而且八个馈电点使得天线具有相当高的相位中心稳定度，大大提高了天线的测量精度。通过有源放大网络的设计使天线增益得到了放大，同时信噪比得到了改善，此种天线满足实际测量需要的精度和要求。

［1］孟领坡，吴 杰.北斗天线电气相位中心偏差检验试验研究［J］.测绘学报，2008，37（3）：374－379.

MENG Lingpo，WU Jie.Research on the Experiment for Calibrating of Beidou Antenna Phase Center Bias［J］.Acta Geodaetica et Cartogaraphica Sinica.2008，37（3）：374－379.（in Chinese）

［2］杨 眉，李全明.一种相位中心稳定的微带天线设计［J］.电子测量技术，2006，29（5）：231－214.

YANG Mei，LI Quangming.Design of microstrip antenna with stable phse center［J］.Electronic Measurement Technology.2006，29（5）：231－214.（in Chinese）

［3］LAU K L，LUK K M.A wideband circularly polarized conical－beam patch antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation.2006.54（5）：1591－1594.

［4］BIAN Lei，GUO Yongxin，ONG L C.Wideband circularly－polarized patch antenna［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation 2006，54（9）：2682－2686.

［5］胡明春，杜小辉，李建新.宽带宽角圆极化贴天线的实验研究［J］.电子学报，2002，30（12）：1－3.

HU Mingchun，DU Xiaohui，LI Jianxin.Experimental study of broad－band and wide－angle circularly polarized patch antennas［J］.Acta Electronica Sinica，2002，30（12）：1－3.（in Chinese）

［6］董玉良，郑会利，张士选.单馈电双模方形微带天线及圆极化实现［J］.电波科学学报，2002，17（2）：179－181.

DONG Yuliang，ZHENG Huili，ZHANG Shixuan.Single－feed dual－mode square microstrip antenna and realization of circular polarization［J］.Chinese Journal of Radio Science.2002，17（2）：179－181.（in Chinese）

［7］孙煜炫，周 雍，方大纲.CAD公式分析切角贴片－双模滤波器和圆极化天线［J］.电波科学学报，2002，17（6）：558－561.

SUN Yuxuan，ZHOU Yong，FANG Dagang.CAD Formula for patches with corner cut－dual mode filter and CP Microstrip antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science 2002，17（6）：558－561.（in Chinese）

［8］艾宝强，褚庆昕，雷振亚.基于FDTD算法的有源集成天线设计［J］.电波科学学报，2005，19（6）：739－741.

AI Baoqiang CHU Qingxin，LEI Zhenya.Design of active integrated antenna based on FDTD method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，19（6）：739－741.（in Chinese）

［9］HALL P S，DAHELE J S，JAMES J R，et al.Design principles of sequentially fed wide bandwidth circularly polarised microstrip antennas［J］.Microwaves，Antennas and Propagation，IEEE Proceedings H，1989，136（5）：381－389.

［10］林昌禄.天线工程手册［M］.北京：电子工业出版社，2002：466－467.