一种BDII/GPS抗干扰环带天线设计

王晓光

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川成都 610036)

0 引言

飞行器在运动过程中需要保持连续的位置与速度及速度变化率测量信息，针对圆柱形飞行载体，飞行状态除了平动之外还伴随绕轴连续转动，平面天线不满足该使用场景，其原因有三：1)平面天线不能与载体共形安装；2)平面天线波束有限，仅在径向某一段圆弧内存在辐射方向图；3)连续旋转过程中接收卫星信号不连续。因此需要设计一种在旋转过程中能全程定位的天线，需要其在旋转的径向具有全向方向图，良好的不圆度以及一定的增益，同时能够适应与空气高速摩擦带来的急剧温升。针对类似场景研究者做了大量有益的工作，一种耐高温卫星导航天线[1]，能够满足高速飞行时高温环境下对天线的要求；锥台上实现了GPS(Global Positioning System)以及BD(Beidou Navigation Satellite System)B1频点的共形天线，将锥面的几何特征提取进行仿真，很好地解决了曲面共形的设计难点[2]；环氧玻璃纤维树脂材质的基板实现了一种双环形天线[3]，通过仿真验证了设计的合理性。文献[4]实现了一种双馈点GNSS环带共形天线；文献[5-11]分别对天线共形与环带辐射场理论进行了有益探索，文献[12-15]对共形天线方向图理论进行了研究。综合以上方法，针对BDII窄带抗干扰特定的应用场景，采用半柔性印制板设计了一种包含2个BDII及1个GPS阵元的环带天线，每个阵元通过等间距的8个分布式单元阵列构成，其平面展开形式为微带合路，通过半柔性印制板卷绕在飞行器径向与外表面共形，微带合路信号输出给飞行器内部导航接收机，完成随轴旋转时的连续定位，此外由于天线需要抑制BDII带内窄带干扰信号，需要设计两个B3环带，具有几乎相同的辐射方向图以对消干扰，并且需要一定的隔离度，以提高零陷深度。

1 环行圆极化天线整体布局

环带天线通过半柔性印制板承载，平面展开形式为矩形，应用于飞行器外表面，有全向的方向图，使得飞行器在飞行过程中绕轴向自身旋转时能够持续地接收导航信号；飞行器外径为r，环带天线的总长度为2πr，其首尾通过焊点连接卷绕在飞行器外表面；在宽度方向分别由BDII B3/BDII B3/GPS L1三个阵元构成，总宽度为250 mm，根据GPS与BDII不同的波长，结合仿真分配尺寸分别为B3(1)90 mm，B3(2)90 mm，GPS(1)70 mm。环带天线整体布局如图1所示。

图1 环带天线整体布局

每一个环带合路后只需要单孔输出到其内部BDII及GPS抗干扰接收机，为防止内部接收机对外辐射通过天线耦合后被接收，将金属桶轴向两端密封设计，抑制内部电磁辐射；导航接收机包含两路BD下变频及一路GPS下变频，BD下变频通道采用一次变频低增益设计，以提高固定增益下的接收动态，GPS下变频通道采用二次变频低中频设计，以提高中频选择性；天线的轴向尺寸不超过250 mm，含天线罩(厚度2 mm)后的径向尺寸不超过297 mm。

2 天线设计

天线通过均匀分布在整个圆周径向的8个全等单元合成，以改善环带天线的不圆度；为了实现与飞行器外表面共形，同时尽量不破坏其外形结构，采用了平面侧馈以及微带合成的方式，每一个环带天线最终合成输出，3个环带共需在飞行器径向圆周开3个输出孔输出导航信号至接收机，实现方式如图2所示。

图2 天线阵元布阵模型

仿真表明，8天线单元合成径向方向图在 1.268 GHz处方向图的波动小于2 dB，1.575 GHz处的波动小于2.2 dB。根据实际测量，GPS和BD导航信号到达天线口面的信号强度为-125 dBm，接收机灵敏度为-133 dBm，到达地面的信号强度有一定的功率余量。考虑到实现时透波材料衰减及介质损耗，天线设计仍有一定余量。多天线布局状态下，天线阵的径向辐射增益有所下降。天线径向为接近全向图，轴向为呈对称倒8字形。

B3天线抗一个宽带干扰，需要两个环带阵元；GPS天线一个环带阵元；采取每个环带上有8个单元均匀分布的形式，B3的8个单元之间保持一定的间隔加强隔离，两个B3阵元之间为了减小互耦，布局时相互远离，一个B3环带靠近边缘，一个B3环带靠近GPS。

3 单个天线阵元设计

单馈点导航天线在接收交叉极化信号时会造成较差的定位精度，双馈天线通过一个90°移相器合成信号后单路输出，相对单馈方式在更宽的带宽内有较好的阻抗和轴比。为了避免直馈在结构设计上的困难，对B3及GPS均采用侧馈方式馈电。其中针对B3采用双馈设计可以提高对交叉极化信号的抑制比，进而提升单阵元合成信号轴比从而改善圆极化性能。合路器设计采用微带合成的方式，通过蛇形走线调整电长度实现信号合成，8个单元为全等正方形金属贴片，边长为L，根据谐振频率初步计算其尺寸大小：

式中，c为光速，f0为谐振频率。由于GPS频率高于BDII，因此GPS阵元小于BDII阵元；针对具体位置不同的3个环带分别进行了仿真,图3、图4、图5为边缘B3环带仿真结果，图6、图7、图8为中间B3环带仿真结果，图9、图10、图11为GPS环带仿真与测试结果对比，其中实线为仿真，虚线为测试结果。

图3 边缘的B3环径向方向图

图3所示是边缘环带，中心频率为1 268.52 GHz，方位角为0°时的增益方向图。从图3可以看出，俯仰角为45°处的增益为-0.627 dB，俯仰角为90°处的增益为-1.342 dB。

可见，边缘的B3环带在径向辐射方向为全向，不圆度小于1 dB，外表面涂敷厚度为0.5 mm透波隔热材料后，实际增益有所下降，其径向轴比如图4所示。

图4 边缘的B3环径向轴比

图5所示是边缘环带，中心频率为1 268.52 GHz，方位角为90°时的增益方向图。从图5可以看出，俯仰角为-65°处的增益为-0.604 dB，俯仰角为130°处的增益为-4.912 dB。

图5 边缘的B3环轴向方向图

由图5可见，边缘的B3环带在轴向辐射方向呈对称倒8字形，在平动的前后两个方向有一定波束宽度。

图6所示是中间环带，中心频率为1 268.52 GHz，方位角为0°时的增益方向图。从图6可以看出，俯仰角为-70°处的增益为-1.361 dB，俯仰角为80°处的增益为-4.239 dB。中间的B3环带在径向辐射方向为全向，不圆度比边缘的环带略差，这是由于中间环带的辐射方向图同时受到B3以及GPS环带的互耦影响。图7所示是方位角为90°时的增益方向图，可以看出俯仰角为20°处的增益为-0.339 dB，俯仰角为-45°处的增益为-6.14 dB。其径向轴比如图8所示。

图6 中间的B3环径向方向图

图7 中间的B3环轴向方向图

图8 中间的B3环径向轴比

设计的双模抗干扰环带天线实现了较好的增益均匀性，结合BDII接收机能够实现超过60 dB的窄带抗干扰能力，与其他文献对比如表1所示。

表1 本文设计指标与其他文献指标对比

图9为边缘GPS环带在径向辐射方向图，中心频率为1 575.42 GHz，方位角为0°时的增益方向图，可以看出俯仰角为100°处的增益为0.327 dB，俯仰角为155°处的增益为-1.854 dB。方位角为90°时的增益方向图，可以看出俯仰角为0°处的增益为-1.265 dB，俯仰角为-125°处的增益为-5.689 dB。其径向轴比如图11所示。

图9 GPS环径向方向图

图10 GPS环轴向方向图

4 结果分析

从仿真结果看，边缘的B3环由于采用双馈的形式，天线仿真结果比GPS环要好。

边缘的B3结果比中间的B3环结果好，原因是中间的B3环受到耦合影响严重；边缘的B3环在径向最低增益不小于-1.34 dBi，中间的B3环在径向最低增益不小于-3.23 dBi，GPS环在径向最低增益不小于-1.85 dBi。同时分别对3个阵元进行了输出驻波测试。仿真及实测的对比如 表2所示。

表2 环带天线仿真与测试参数对比

图12 环带天线实物图

5 结束语

本文设计了一种B3及GPS双频点环带天线，通过侧馈以及双馈电路形式，解决了天线与柱面表面共形，改善了增益均匀度，为旋转时的信号连续接收提供了有利条件，环带总纵向尺寸为250 mm。测试结果表明，天线在1 268.52 MHz中心频率实现了±12 MHz的3 dB带宽，优于-3.33 dB增益；在1 575.42 MHz中心频率实现了±2 MHz的3 dB带宽，优于-3.57 dB增益；地面3 Hz旋转试验时接收卫星信号定位稳定，信噪比均大于42 dB，由于涂敷绝热层工艺影响透波系数，同时对中心频率产生了影响，实际增益较理论增益低，改善增益是下一步的重点工作。