3D扼流圈天线设计

王春华，吴文平，王晓辉，邓文雄

（深圳市华信天线技术有限公司，深圳 518055）

3D扼流圈天线设计

王春华，吴文平，王晓辉，邓文雄

（深圳市华信天线技术有限公司，深圳 518055）

本文介绍了多径信号的形成和抑制多径效应的基本方法，并设计了一款具有多径抑制效应的3D扼流圈天线，该天线可以同时应用于GNSS卫星导航系统的G1和G2两个频段。实验结果表明，该天线对多径信号具有较强的抑制能力，且相位中心稳定，具有较强的抗干扰能力。

多径信号；扼流圈天线；GPS

1 引言

随着卫星导航技术的不断发展，卫星导航精密测量技术已经广泛应用于许多领域中，测量型天线性能的好坏直接影响到卫星导航接收机的测量精度，测量型天线的多径效应和相位中心的变化是影响其性能的主要原因。目前，人们对多径技术进行了大量研究，并发展了许多的多径减轻技术，如移除天线附近的反射物体，以及选择良好的环境等都可以明显改善多径效应[1]。此外，也可以采用具有多径抑制功能的天线，如扼流圈天线可以明显减轻来自地面和低仰角散射体的多径信号。目前，国内外对于扼流圈天线的设计以及测试进行了大量研究[2-5]，技术已经比较成熟，但是相关的文献资料却比较少。

本文设计了一款可以应用于GNSS导航系统的高精度3D扼流圈天线，天线单元采用的是多点馈电的天线，扼流圈为金字塔形状，并通过天线单元与多径装置的匹配，改善其多径抑制能力。通过实验表明天线具有较强的多径抑制能力和高稳定稳定的相位中心，并且天线低仰角增益好，保证了天线对低轨道卫星的跟踪能力。

2 多径效应及相位中心偏差

信号在传播过程中遇到山川、湖泊、建筑物、车辆等障碍物时会发生反射或散射现象，这些信号在到达接收机时经过的路径比直达信号经过的路径更长，被称为多径信号。相对于直达信号，多径信号总是有延迟的，并且其幅度有可能衰减，也有可能增强。当多径信号与直达信号同时进入接收机时，其幅度和相位关系会互相叠加，可能造成伪距测量和载波相位测量出现误差或畸变，降低测距精度，并可能造成接收机完全失锁。

削弱多径影响的具体方法主要有选择合适的接收环境、采用带有多径消除技术的接收机、采用具有多径抑制效应功能的天线[6]等。当多径信号的延迟较大时，采用具有多径消除技术的接收机可以消除误差，但是当延迟较小时，接收机就很难消除该误差，此时可以采用具有多径抑制效应的天线，如扼流圈天线等。

天线的实际相位中心与理论相位中心之间的偏差称为天线相位中心偏差。理论上天线的相位中心应该与天线的几何中心保持一致，但实际上它会随着输入信号的方向和强度发生变化，使得天线的测量精度受到严重影响。

3 天线内核结构设计

天线相位中心的稳定性与天线的馈电方式有很大关系，一般情况下，馈电点数量越多，馈电位置越对称，天线的相位中心稳定性越好[7]，实验中使用的天线内核为华信天线技术有限公司自主设计的一款应用于GNSS导航系统中的天线内核HX-HS，如图1所示。天线采多点馈电技术，并采用多频点设计技术，拓展带宽的同时保证了天线相位中心具有良好的稳定性。

该天线内核工作在G1和G2两个频段，使用商业仿真软件对其进行仿真，得到其在两个频段的方向图如图2。

图1 天线内核图

图2 微带天线方向图

4 扼流圈结构设计

扼流圈是由若干个具有一定深度的同心圆槽组成的基底结构来充当天线接地板，同心圆槽的数量一般为三到五个，槽深通常为四分之一波长左右，以使扼流圈表面呈现高阻抗特性，防止在其上形成表面波，从而改变天线的增益分布，降低天线后向增益和低仰角增益，达到抑制多径效应的作用。扼流圈从结构上大致可以分为单槽深单频扼流圈、双槽深双频扼流圈和三维扼流圈三类。

本文设计的扼流圈为三维扼流圈，型号为HXCGX601A，结构如图3和图4，图5为扼流圈天线的实物结构图。从图中可以看到，扼流圈由包括中心基座以及外围的四圈同心的扼流环组成，扼流环的高度由内向外逐渐降低，整体呈金字塔形。通过对扼流圈结构与天线内核的完美匹配，与传统扼流圈天线相比，在保证天线抗多径能力的情况下，提高了天线的相位中心的稳定性和低仰角的收星能力。

图3 扼流圈侧视图

图4 扼流圈俯视图

图5 HX-CGX601A天线实物图

5 实验结果

使用天线内核HX-HS与HX-CGX601A共同在暗室进行测试，并将测试结果与一款二维扼流圈天线HX-GG486A的测试结果相比较，HX-GG486A同样采用HX-HS天线内核，结果如图6所示。图6分别为HX-CGX601A与HX-GG486A在G1和G2的测试方向图，在G1频段，HX-CGX601A的低仰角比HX-GG486A略高，前后比相差不大；在G2频段，HX-CGX601A的低仰角增益和前后比都要明显优于HX-GG486A，说明了设计的可行性。

图6 HX-CGX601A与HX-GG486A测试方向图

为了进一步验证所设计扼流圈的性能，这里选取了两款国外扼流圈AR25和750天线同HXCGX601A和HX-GG486A进行对比，AR25，750两款扼流圈采用的天线内核为Dorne Margolin内核，HX-CGX601A和HX-GG486A采用HX-HS天线内核。分别测试他们的相位中心偏差以及不同倾角情况下的天线相位中心情况，如图7所示。

图7 相位中心偏差校准测试图

表1～4记录了各天线测试得到的相位中心偏差（数据来源，NGS网站公布数据），可以看出，修正前天线HX-CGX601A在北和东两个方向的相位中心偏差较小。图8为各天线的相位稳定度曲线图，分别使倾角Theta取0°至80°范围，步长5°，记录下其对应的相位稳定情况。从图中可以看出修正前天线HX-CGX601A在G1和G2两个频段的相位稳定度要明显优于其他天线，说明该天线具有良好的相位稳定度。

表1 HX-CGX601A相位中心偏差

表2 HX-GG486A相位中心偏差

表3 AR25相位中心偏差

表4 750相位中心偏差

图8 各天线随仰角相位稳定度

6 结束语

本文讨论了多径效应及其抑制方法，并对扼流圈天线做了简单介绍，最后设计了一款可以应用于GNSS导航系统的扼流圈天线，通过对扼流圈结构与天线内核的匹配，提高天线的抗多径能力和低仰角增益。通过仿真表明，该扼流圈天线的抗多径能力比二维扼流圈有显著地提高，并且通过与其他扼流圈的对比测试，表明天线具有良好的相位稳定度，相位中心偏差较小，说明了该设计的可行性。

[1] Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty编，寇艳红译．GPS原理与应用（第二版）[M]．北京：电子工业出版社，2007:218-220.

[2] 胡亚轩．Ashtech扼流圈天线相位中心稳定性的检验[J]．测绘工程，2001, 10(3): 44-46.

[3] J M Tranquilla, et al. Analysis of a choke ring ground plane for multipath control in Global Positioning System(GPS) applications[J]. IEEE Trans. AP, 1994, 42(7): 905-911.

[4] Waldemar Kunysz. A three dimensional choke ring ground plane antenna[DB/OL]. www.novatel.com/documents/papers/3D_choke_ring.pdf.

[5] Vladimir Philippov. The first dual-depth dual frequency choke ring[DB/ OL]. www.topcongps.com/images/choke_ring.pdf.

[6] 高玉平，刘子懿，徐劲松等．单频GPS接收机天线扼流圈的研制与测试[J]．时间频率学报，2006, 29(1): 51-57

[7] 丁克乾，柯炳清．一种星载高相位稳定度双频GPS天线[J]．遥测遥控，2007, 28(Z): 182-186.

Design of Dualband 3D Choke Ring Antenna

Wang Chunhua, Wu Wenping, Wang Xiaohui, Deng Wenxiong
(Harxon Corporation, Shenzhen, 518055)

The formation of multipath signals and the way of mitigating multipath effects is introduced. A 3D choke ring antenna with multipath mitigation effect is designed. The antenna can be used both in the G1 and G2 frequency bands of GNSS navigation system. Experimental results show that this antenna can effectively reduce the multipath effects with stable phase center, and also with better capacity of resisting disturbance.

multipath signal; choke ring antenna; GPS

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.004

TN82文献标示码：A

1672-7274（2014）08-0015-04

王春华，男，1979年生，山东人，硕士，1999年清华大学电子工程系电磁场与微波专业研修，主要从事基站天线、卫星定位天线、动中通天线研究。

吴文平，男，1982年生，湖南新化人，本科，2006年至今一直从事GNSS天线的研发工作。

王晓辉，男，河南人，硕士，天线助理工程师，主要研究方向为北斗、GPS天线设计等。

邓文雄，男，广西人，本科，主要研究方向为北斗、GPS天线LNA设计等。