用于卫星通信和GPS的高增益天线设计

卢华刚 马晨 范炼 于燕萍

(1.常州仁千电气科技股份有限公司,江苏常州 213000;2.云南财经大学,云南昆明 650221)

0 引言

随着无线电通信技术的发展,对天线收发定位要求越来越高,宽频带、高增益和多功能是目前天线的主要研究方向[1-3]。其中天通卫星通信带宽较宽,增益性能要求较高。主要功能是接收和发射对应频率的电磁波信号,天通天线在生活中具有广泛的应用。全球定位系统(GPS)的快速发展,对天线的性能和结构特点同样具有较高的要求,产品具有高增益和高灵敏度的特点,便携且有较强的环境适应性,诸如抗震救灾、远海水域、野外作业、应急通信等特殊场景下,是唯一有效的通信保障手段。为此,设计一款集收发、定位一体的天线,收发功能的采用天线偶极子的结构形式来实现,腔体结构形式的天线作为定位功能。具有结构简单、成本低和高增益圆极化性能的优点。

收发天线的偶极子长度为四分之一波长,采用垂直弯折的形式构成对称振子,在高度受限的情况下,垂直部分为常规铜管结构,弯折部分为对称扇形结构[4-5],以此作为天线主体,增加天线的辐射。通过加载腔体式结构作为GPS-L1辐射介质。腔体结构形式可以有效的降低天线主体副瓣,提高天线的不圆度,实现天线的高增益的圆极化性能,可以被广泛的应用在船载天线和车载天线等实际工程中。

1 天线的设计

本文设计的天线结构如图1所示。收发天线主体是以介电常数ε=4.4,厚度0.8mm的FR4材料为介质基板,在其上印刷四个阵列扇形形状,同时对称扇形之间矩形条只与其一相连接,另一端开路,并非互联状态,为了避免中间矩形条交叉连接,其中一条采用过孔背向连接技术,由于板厚较薄,其过孔距离可忽略不计,如图1所示。四根铜管间距为L,长度为H1,铜管一端焊接在厚度1mm的FR4反射介质板上,另一端焊接在扇形上,其中扇形与矩形条开路端一侧铜管的内芯分别穿至特氟龙管和芯线,顶部芯线与矩形条相连,底部芯线外露,使其最后两组芯线产生90°相位差,来满足天通左旋极化特性。金属腔体为GPS-L1定位天线主体,距离反射介质板为H2,中间为空气介质,使用4个尼龙柱作为支撑。馈电形式采用双馈点馈电实现圆极化,正交放置的两个同轴探针穿过金属腔体,探针顶端直接焊接在金属腔体底端,探针底端焊接在反射介质基板上,两个探针产生幅度相等,相位相差90°,来满足GPS-L1天线右旋极化特性。

图1 天线结构图Fig.1 Antenna structure

最终优化的天线尺寸如下:收发天线直径Rc=22mm,天线扇形辐射面角度Deg1=45°,内环直径Rc=10mm,铜管距中心距离L2=4mm,铜管高度H1=40mm;定位天线金属腔体直径R2=105mm,金属腔体高度H3=15mm,探针距中心距离L1=15mm,金属腔体距离FR4反射介质板H2=5mm;反射介质板直径R3=110mm。

2 天线仿真和结果

通过HFSS的仿真优化,最终得出收发卫星通信天线和定位天线的回波损耗曲线图,如图2所示。

图2 回波损耗曲线Fig.2 Return loss curve

图3给出了系统要求的上行和下行工作频带内左旋(LHCP)极化的天线方向图,GPS-L1频点的天线方向图。由图中可以看出卫星通信天线在上下行中心频点增益达到6.5dBi,GPS-L1天线增益达到5.5dBi,具有高增益圆极化特性。

图3 增益方向图Fig.3 Gain pattern

3 结语

本文根据卫星通信系统和全球定位系统对天线的要求,对偶极子天线结构形式的基础上进行了研究。使得扇形结构的天线主体作为对称振子,具备500MHz的带宽,在工作频带内具有较好的左旋极化特性,应用于卫星通信。 GPS天线通过金属腔的形式,采用双探针馈电,具有较高的右旋极化增益特性,波束宽度较宽的性能,该决定了终端设备在各种环境下的接收灵敏度,大大提高了卫星通信的效率和质量。该结构天线已在实际工程中得到充分验证。