一种新型单层宽带GNSS天线设计

1 引言

由于全球卫星导航系统能够提供导航、测量、定位和授时等功能，在经济发展、科学研究、灾害防控以及军事等诸多领域得到应用和发展[1]。天线作为卫星导航接收机中的一个至关重要的单元，受到大家广泛研究。因为多频多模有助于观测更多的星座，提高定位精度和可靠性，还能够免受单一系统的制约，可见研究宽带GNSS天线有着重要的现实意义。本文提出了一种单层空气介质型的新型贴片天线[2]，克服了一般微带天线带宽窄的缺点[3]，工作频段为1160MHz～1615MHz，支持北斗二代、GPS、GLONASS和GALILEO的信号接收，对其进行仿真和分析，研究结果表明，该类天线具有频带宽、形状小和相位中心稳定的突出优点，为实际项目的开展奠定了基础[4～6]。

2 天线设计

2.1 天线单元设计

贴片天线由辐射单元、寄生单元、地板和置于天线地板另一面的天线馈电网络组成，如图1。其中辐射单元由薄铜片折叠成形。

这种结构的天线具有以下优点：

（1）低成本：采用金属薄片作为微带天线的辐射体，空气作为天线的介质。相比传统的高频材料（微带天线的基板），成本很低。

（2）结构简单：单层结构就可以实现宽带信号接收，配件少，可靠性高。

（3）加工简单：采用普通金属薄片作为辐射体，易于成形。并且由于不涉及普通微带天线的金属化过孔等工艺，加工简单。并且不受电路板加工厚度影响，容易制作较厚的天线。

（4）重量轻：传统微带天线介质基板密度大，产品重。空气密度小，重量轻。

（5）性能优越：采用空气介质天线表面不会形成表面波，从而使天线性能更好。此外，寄生单元的运用，提高了天线的波束带宽、轴比带宽。采用单层贴片辐射后，不同频率之间相位中心高误差更小，更加利于精确测量定位。

图1 天线的结构

图2 馈电网络

2.2 馈电网络设计

馈电网络主要用作匹配微带贴片天线并使之获得右旋圆极化，它使天线馈电点输入的四个等幅且相位相差90°的电场信号合路移相后终端得到一路同相信号输出。为了天线工作频带1160MHz～1615MHz，采用2个正交（90°)耦合器和1个180°宽带耦合线耦合器组成，具有宽带、插损小和相位平衡（误差）小的突出优点[7～9]，如图2所示。

图3 轴比随入射角变化曲线图

图4 垂直面的方向图(方位角Phi=0°)

3 建模仿真与分析

3.1 贴片天线建模仿真与分析

天线薄金属片采用0.50mm厚的铜材，正方形的贴片边长大小为57.25mm，贴片距离地板高度31.5mm(空气介质高)，外围采用由8个金属柱体和FR4板寄生电路。然后利用HFSS对天线进行了建模和仿真，结果见图3、图4。

由图3、图4可见，天线在讨论的工作频带较宽，其中在选取1227MHz和1575MHz两个中心频率上，在天线辐射上半球轴比均小于3dB，10dB波束宽度大于150度，最大增益在良好匹配条件下可以达到6.0dBic以上，保证对低仰角卫星信号接收效果好，确保在一些遮挡较严重的场合仍能正常收星[10]。

3.2 馈电网络建模仿真与分析

馈电网络中的90°耦合器采用Anaren公司XC1400P-03S，具有较小的尺寸；180°耦合线耦合器在介电常数为3.38的24mil-8mil-24mil的带状结构实现的。仿真结果见图5、图6。[11]

图5 插入损耗

图6 相位平衡

由图5、图6可见，馈电网络插入损耗小于0.2dB，相位平衡（误差）小于5度，可以使天线具有较高的接收灵敏度，并且形成的右旋圆极化效果好，从而有效减少多路径信号对测量精度的影响。

4 结论

本文所设计的一种单层宽带GNSS天线，对贴片天线和馈电网络仿真结果显示在工作频段内获得较好参数，单层辐射单元和四点馈电，不仅结构也简单，易于加工，可靠性高，并且使其可以保证很高的相位中心精度。并且由于成本低和重量轻，相信它将会具有广泛的应用前景。由于这种天线尺寸相对较大，天线的小型化将是我们的后续研究重点。

[1]付世强,房少军,王钟葆,吕善伟.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.

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[11]http://www.anaren.com/products/90-deg-hybridcouplers:XC1400P-03 Data Sheet Rev C.