一种新型梯形开槽全频段高精度测量型天线的设计

广州中海达卫星导航技术股份有限公司 张华福 马大坚 李庚禄 李晓鹏 谢柏栋

一种新型梯形开槽全频段高精度测量型天线的设计

广州中海达卫星导航技术股份有限公司 张华福 马大坚 李庚禄 李晓鹏 谢柏栋

本文通过设计研究新型梯形开槽，加载耦合线，轴向对称四馈点馈电方式的测量型天线，经过计算仿真，结果表明，这种开槽耦合方式在一定程度上扩展了天线的阻抗带宽，使得天线获得了很宽的频带，在L1频段具有140MHz的带宽，在L2频段具有180MHz的带宽，使得天线能实现GPS：L1、L2、L5，GLONASS：L1、L2，北斗：B1、B2、B3和Galileo：L1、L2全频段卫星的接收，同时，这种天线有较宽的轴比带宽，实现了天线良好的圆极化性能和较强的抑制多路径效应的能力，并且低仰角有较高的增益，能更好地接收到低仰角卫星，为高精度卫星导航终端设备供了重要的应用价值。

天线；宽频带；高精度；圆极化；轴比；开槽

前言

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点,因此在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事领域起着越来越重要的作用,世界各主要大国都竞相发展独立自主的卫星导航系统[1,2,3]。根据卫星信号特征及GNSS应用原理,利用GPS、GLONASS、北斗和GALILEO进行组合导航,可以使接收机观测到的卫星数目大大增加,从而有利于缩短定位时间、减小多路径误差,提高定位的精度。特别是在城市峡谷、密林深处等信号受到严重遮挡的情况下这种优势很明显,从而可以免受单一卫星导航系统的制约[4-9]。而采用多频组合导航可以补偿电离层延时,进而提高定位测量精度[10,11]。可见用于高精度卫星导航的天线的科技含量很高,其中双频宽带、能够同时覆盖多个卫星导航星座的特性尤其重要,也是其设计难点所在。

基于上述考虑,本文提出一款新型全频段高精度测量型天线的设计,能满足同时接收GPS:L1、L2、L5; GLONASS:L1、L2;北斗:B1、B2、B3和GALILEO:L1、L2卫星信号,并且具有较宽的增益带宽和轴比带宽,有较大的抗多路径能力,为促进高精度卫星导航终端设备的发展具有重大意义。

1 线设计

天线采用双层微带贴片叠层结构,其俯视结构如图1所示,其中L1层产生接收GPS:L1、GLONASS:L1、北斗:B1、GALILEO:L1信号,L2层产生接收GPS:L2、L5、GLONASS:L2、北斗:B2、B3、GALILEO: L2信号。微带天线是谐振式天线,微带贴片的长度大约是介质波长的1/2。天线的辐射贴片中矩形贴片大小由下式给出[7]:

圆形贴片的大小由下式给出:

其中,c为光在真空中的传播速度,L为微带矩形贴片的实际长度,h是基片的厚度,是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度,为基板相对介电常数。

图1 天线俯视图

贴片天线由于其馈电探针所带来的感性电抗使得贴片天线的带宽很难超过10%,而梯形开槽的方式可以有效降低这种感性电抗使得天线的阻抗带宽得到展宽。同时,这种环形开槽的方式保持了圆形贴片结构简单的优点。普通的贴片天线都在半波长谐振,天线的尺寸在半波长左右,而短路墙加载的方式使得天线在四分之一波长谐振,可以有效减小贴片天线的尺寸。

2 仿真结果

通过理论计算和HFSS高频电磁软件仿真,采用均匀对称的四馈点馈电,使天线具有稳定的相位中心,相位中心偏差减小,使得天线具有较高的定位精度。通过计算馈电的位置,使每个馈点之间实现幅度相等,相位相差90度的正交谐振模式,仿真优化其位置,使得天线能拓展其工作带宽,实现全频段接收。选取合理的开槽,可使天线实现圆极化的工作状态。

图2 天线S11参数

图2是天线在L1、L2频段内的S11参数,从图中可以看出,天线在1.5GHz到1.64GHz频率范围内S11参数小于10,在1.1GHz到1.28GHz频率范围内S11参数小于10,说明了天线合理的馈点和开槽拓展了阻抗带宽,使天线能实现GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全频段卫星的接收。

图3 天线增益性能

天线的增益是天线性能的关键,往往很多天线的顶点增益不高,低仰角增益偏低,使得天线装置在接收机设备中信噪比偏低,很难接收到低仰角的卫星,定位精度差。图3是天线在L1频段、L2频段内的增益,从图中可以看出,天线在L1频段内,其顶点位置的增益为6.4dBi,低仰角±90度位置的增益为-3.3dBi,在L2频段内,其顶点位置的增益为6.5dBi,低仰角±90度位置的增益为-5dBi。一般接收机要求天线顶点的增益大于5dBi,低仰角±90度位置的增益不低于-6dBi才能保证整机的高精度良好性能。本天线的合理开槽和在槽的底部加上耦合线,使得天线的电磁能量得到良好辐射,提升了天线的总体增益,保证了天线在低仰角有较高的增益,满足了接收机的要求。

图4 天线轴比性能

图4是天线在L1频段、频段时的轴比性能,图中表明,天线在L1频段时,从仰角-82°到86°之间轴比低于3dB,在L2时,从仰角-110°到112°之间轴比低于3dB,说明天线在此角度内轴比性能很好,较宽的轴比带宽,很好地实现了圆极化性能。L1层和L2层的开槽方式具有良好的对称性,改善了天线的波束宽度,使得天线辐射单元有较宽的轴比带宽。轴比性能的好坏,决定了测量型天线的抑制多路径效应的能力,一般来说,要求天线的轴比带宽在-60°到60°之间,图4显示的较宽的轴比带宽,说明天线有很强的抑制多路径效应的能力。

3 结论

本天线采用传统的双层结构,通过采用新型开槽、耦合方式,拓展了天线的阻抗带宽,在L1频段具有140MHz的带宽,在L2频段具有180MHz的带宽,使得天线能实现GPS:L1、L2、L5,GLONASS:L1、L2,北斗:B1、B2、B3和Galileo:L1、L2全频段卫星的接收。同时加载耦合线激励,使得天线的电磁能量得到良好辐射,提升了天线的总体增益,保证了天线在低仰角有较高的增益,能更好地接收到低仰角卫星。轴向对称性开槽和四馈点馈电改善了天线的波束宽度,使天线具有较宽的轴比带宽,具有较强的抑制多路径效应的能力,并具有稳定的相位中心,使得天线在遮挡等恶劣的环境仍然具有高精度测量的能力。新型的宽频带、高精度天线设计满足了对多频段、多星座卫星接收的要求,为GNSS高精度测量行业提供了重要保证。

［1］付世强,房少军,王钟葆.多模卫星定位导航系统的宽带天线［J］.哈尔滨工业大学学报,2008,40(11):1811-1814.

［2］M.D.Plessis and J.Cloete,Tuning stubs for microstrippatch anetnnas,IEEE Antennas Propagat.Mag.36.

［3］李庚禄,林福民等.北斗二代和GPS联合导航的双频微带天线的设计［J］.信息通信,2012(4):12-13.

［4］李洪彬.实现宽波束圆极化天线的几种方法［J］.军事通信技术,2011(1):44-46.

［5］赵丽娟,邵晓亮,邹永庆,吴先良,杨代明.一种新型宽带圆极化微带天线的设计［J］.现代电子技术,2009,32(24):91-93.

［6］高阳,董树荣,王德苗.GPS天线技术及其发展［J］.无线通信技术,2008(4):34-39.

［7］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.

［8］田晓青,刘少斌,张学勇,周良.基于北斗卫星导航系统的一种圆极化微带天线［J］.信息化研究,2011,37(2): 22-24.

张华福（1985—），男，广东茂名人，硕士，广州中海达卫星导航技术股份有限公司基础研究院射频工程师。