一种单层双频宽带GNSS测量型天线设计*

李晓鹏，李庚禄，张华福

(广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广州511400)

1 引言

随着全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的迅速发展，尤其是我国“北斗”卫星导航产业的兴起，对多系统导航能力的需求也随之增加。为能满足兼容四大导航系统终端设备应用需求，天线应具备较宽的增益带宽和波束带宽，并且系统满足兼容性更强和结构更加紧凑等要求。针对目前高精度多系统GNSS测量型天线设计需求，在卫星信号接收性能上，不仅要保证天线具有定位精度高、性能稳定可靠的特点，又要充分利用我国自主知识产权的“北斗”核心技术资源，将是目前国内导航定位企业提高卫星导航、测量与定位精度的最佳解决方案之一。研制一款宽波束带宽、高增益、广角轴比、相位中心稳定等综合性能较优的GNSS双频天线是当前多系统导航终端设备的迫切需求。

微带贴片天线具有形状小、成本低、易共形和易加工等优点[1]，是当前高精度天线研制者的首选设计方案。研制者在设计高精度微带贴片天线时，通常倾向选择对称的贴片结构设计和馈电技术来获得较佳的圆极化特性和可靠的相位中心稳定度。天线介质基板和贴片结构是影响天线性能的关键因素，它直接影响着天线的工作宽度、轴比带宽、辐射增益等重要性能参数。

本文设计了一款高频(L1)工作于1541～1621 MHz和低频(L2)工作于1160～1300 MHz的宽带双频高精度GNSS测量型天线，并且该天线采用单介质基板的一体化结构设计，相比于常规层叠式双频微带贴片天线，在满足较宽带宽所需介质基板厚度的同时，又实现了天线结构的简易化设计。

2 理论分析与结构设计

2.1 理论分析

式(1)和式(2)给出了经典的单馈点天线微带贴片尺寸经验公式[2]:

式中，R是圆形贴片半径(单位mm)，h是介质厚度(单位mm)，εr是介质基板相对介电常数，fr为工作频率(单位Hz)。

馈电点位置的选取可通过仿真和经验大致得出，通常由贴片中心沿径向到贴片边缘的天线输入阻抗逐渐变大，调整到50 Ω处的馈电位置为最佳[3]。

2.2 结构设计

天线结构如图1所示，介质基板选用厚度为12 mm的实心圆柱体结构轻质高性能微波复合材料。天线低频和高频辐射贴片采用紧凑的共面化结构设计，有效地实现了双频天线单元的一体化和简易化结构设计，即低频辐射贴片单元采用相对中轴心线对称分布的内齿轮状圆环结构并使用销钉将各齿轮与地相连接;高频贴片采用相对中轴心线对称分布的锯齿环与低频贴片交叉共面分布，且两贴片保持等间隙分布。天线贴片单元锯齿化处理可有效增加表面回路电流路径，等效于增加辐射贴片单元有效面积，使天线在谐振环中输入阻抗的实部减小[4]，进而在一定程度上缩小了天线尺寸。同时，在天线单元外围设计一系列对称分布的圆柱形短路销钉，通过调整销钉数量和位置分布，将极大改善天线高低频辐射波束带宽、轴比带宽等。天线采用对称分布的四馈点馈电技术，采用一种宽带耦合相移网络进行相位补偿，进而保证天线相位中心性能更加稳定，使天线在较宽的工作频带内具有较好的圆极化特性。相移网络如图2所示，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4个等幅且相位相差90°的电场信号移相合路后并在终端得到一路同相信号输出。

图1 天线结构Fig.1 The antenna structure

图2 相移耦合网络Fig.2 The phase shift coupling network

3 仿真与实测分析

3.1 天线辐射单元仿真与实测数据分析

天线采用单介质基板的优点在于可通过适当增加基板厚度进而达到同步拓宽双频工作带宽和改善辐射增益的效果。仿真参数显示位于天线单元外围均匀分布的短路销钉对天线轴比(Axial Ratio，AR)带宽、工作频点等参数有着重要的调谐作用，尤其是对轴比带宽的改善较为突出，即天线高频单元和低频单元3 dB轴比仿真角度范围分别为－76°～76°和－116°～116°，相比没有添加外围短路销钉的高低频天线单元轴比仿真角度范围仅分别为－60°～60°和－74°～74°，仿真结果如图3和图4所示，因此得以验证该天线具有较优的广角轴比带宽和圆极化特性[5－8]。与此同时，通过仿真设计给出天线高低频对应的增益分别约为7.1 dBi和7.2 dBi，能够较好地满足天线各频段增益指标需求。为使得天线单元能够较好覆盖目前在运行的四大导航系统全部工作频段，设计该天线低频段(1160～1300 MHz)工作中心频点约为1230 MHz和高频段(1541～1621 MHz)工作中心频点约为1580 MHz，并且在天线外边缘对称添加4组圆弧锯齿便于对低频中心频率的微调。

图3 短路销钉对低频天线单元轴比影响对比Fig.3 The impact of short－ circuit probes on axial ratio of the low－frequency antenna

图4 短路销钉对高频天线单元轴比影响对比Fig.4 The impact of short－ circuit probes on axial ratio of the high－frequency antenna

图5 和图6分别给出天线低频单元和高频单元仿真和实测2D增益方向图，可以看出，仿真与实测结果基本吻合，即具有较高的天顶角辐射增益和低仰角90°处较低的增益滑落(与最大辐射增益处相差小于11.5 dB)。

图5 低频天线单元仿真与实测2D增益对比Fig.5 The comparison between a simulation and a measured 2D gain for the low－frequency antenna

图6 高频天线单元仿真与实测2D增益对比Fig.6 The comparison between a simulation and a measured 2D gain for the high－frequency antenna

图7 和图8给出高低频天线单元增益随频率的变化曲线，通常典型的辐射天线单元增益指标要求大于等于5 dBi，而本文设计天线高频和低频天线单元实测大于等于5 dBi的辐射增益带宽均大于245 MHz，较宽的天线增益带宽在一定程度上减小了天线低仰角辐射增益滑落，进而保证了接收机低仰角卫星信号的接收质量。

图7 实测天线低频天线单元增益随频率的变化Fig.7 The measured gain for low － frequency antenna as a function of frequency

图8 实测天线低频天线单元增益随频率的变化Fig.8 The measured gain for high － frequency antenna as a function of frequency

3.2 结合有源电路实测数据分析

图9 则是配合天线单元设计的低噪声放大电路。卫星信号经天线单元接收转化成电信号，高频L1和低频L2卫星信号分别经四馈针下馈至各自耦合馈电网络并合成圆极化信号输出给低噪放电路，经滤波放大、合路、再放大，输出给主板。

图9 低噪放电路结构框图Fig.9 The structure diagram of low noise circuitry

图10 为天线实物样机，上层为单层结构的天线辐射单元，下层为低噪声放大电路，两者通过馈针连接实施卫星信号传输，并通过螺栓固定。在微波暗室环境下，我们测得该实物天线频谱如图11所示。从图中可以看出，该天线覆盖目前在运行的四大导航系统全部卫星工作频点，并具有较好的带内增益平坦度和带外抑制特性。图12则给出了天线样机的群时延特性，天线对应频点的群时延特性直接影响到主机对接收数据的解算精度，为了较好地满足高精度GNSS天线设计需求，通常国内外行业内主流天线产品定义典型的天线群时延指标小于等于10 ns，从图中可以看到我们的天线群时延特性指标小于等于5 ns，较好地满足指标要求。

图10 天线实物Fig.10 The antenna prototype

图11 天线单元结合低噪放电路频谱图Fig.11 The spectrum of the antenna prototype

图12 天线实测群时延Fig.12 The group delay of antenna

4 结束语

基于单介质层双频宽带GNSS有源微带贴片天线设计，通过对辐射贴片合理化结构设计与布局，并借助仿真设计软件不断优化设计，不仅实现了天线具有辐射增益高、广角轴比特性好、波束带宽较宽、圆极化性能好、相位中心稳定可靠等特性，相比于传统层叠式微带贴片天线，该天线既满足结构设计更加紧凑，又实现宽频带双频天线的一体化、简易化结构设计。仿真与实测数据显示，该天线装置能够较好满足目前在运行的四大卫星导航系统所有卫星信号的接收应用需求，有望在多系统全球卫星导航精确测量与定位领域得到重要应用，尤其是满足我国“北斗”产业终端设备的应用需求。

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