低剖面衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)探析

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摘要：北斗系統(tǒng)是我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。相比較北斗二號(hào)系統(tǒng)，北斗三號(hào)系統(tǒng)在定位精度具有更大的優(yōu)勢(shì)，高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端天線(xiàn)是高穩(wěn)定相位中心天線(xiàn)。此外，北斗三號(hào)機(jī)載產(chǎn)品由于其應(yīng)用場(chǎng)景多在高空中，高精度天線(xiàn)擁有較高的低仰角增益，從而更好地接收低仰角衛(wèi)星信號(hào)。合理選擇天線(xiàn)單元結(jié)構(gòu)和尺寸、天線(xiàn)口徑和材質(zhì)，可以平衡天線(xiàn)各個(gè)性能指標(biāo)，選擇合適的饋電點(diǎn)數(shù)目以滿(mǎn)足天線(xiàn)增益和相位中心穩(wěn)定度指標(biāo)，改變金屬底版形狀，增加金屬?lài)虻燃夹g(shù)可以提高天線(xiàn)低仰角增益。本文將以提高高精度天線(xiàn)相位中心穩(wěn)定度和低仰角增益為重點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：多頻段；低剖面；導(dǎo)航；相位中心；低仰角增益

0引言

北斗三號(hào)在原來(lái)北斗二號(hào)基礎(chǔ)上增加了衛(wèi)星搜救功能和全球位置報(bào)告功能，定位精度和授時(shí)精度都有了較大提升。一方面，高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的終端天線(xiàn)是高精度相位中心天線(xiàn)，其相位中心的穩(wěn)定性（PCV）會(huì)顯著影響系統(tǒng)的定位精度和工作性能；另一方面，衛(wèi)星信號(hào)非常微弱，加之機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品特定的使用環(huán)境，對(duì)天線(xiàn)低仰角增益要求較高，故本文重點(diǎn)研究的北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)為相位中心穩(wěn)定度和改善低仰角增益。目前，北斗三號(hào)主要需求頻段有B1、B2b、B3、L、S，產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨向于小型化，天線(xiàn)設(shè)計(jì)也需要盡量小型化。采用微帶天線(xiàn)，通過(guò)單頻段的微帶天線(xiàn)疊層設(shè)計(jì)，使用仿真軟件優(yōu)化，可以得到小型化和低剖面的多頻段疊層天線(xiàn)。多頻段疊層天線(xiàn)，應(yīng)用在不同的實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，表現(xiàn)出的相位中心穩(wěn)定度和低仰角增益并不相同。本文仿真軟件分析及實(shí)際測(cè)試表明，不同的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)及加載新的金屬結(jié)構(gòu)，可以提高天線(xiàn)的相位中心穩(wěn)定度以及在仰角5~10°可提高1~2dB左右的增益，在不改變天線(xiàn)整體體積的情況下，有效提高了天線(xiàn)相位中心穩(wěn)定度以及低仰角增益。

1原理與設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的微帶天線(xiàn)是一個(gè)三層相疊的天線(xiàn)，由帶有金屬地板的介質(zhì)基片和輻射貼片所構(gòu)成。輻射貼片導(dǎo)體是電磁波向空間輻射的輻射源，通常是銅，理論上可取任意形狀。為了方便加工制造，通常都選用形狀比較規(guī)則的貼片，比如圓形或者方形貼片等。受限于結(jié)構(gòu)尺寸，微帶天線(xiàn)通過(guò)增加介質(zhì)的介電常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)小型化，北斗三號(hào)天線(xiàn)B2b、S、B1、B3和發(fā)射天線(xiàn)L疊層設(shè)計(jì)，而且B1和B3天線(xiàn)采用高精度天線(xiàn)設(shè)計(jì)，放置于結(jié)構(gòu)幾何中心，具有穩(wěn)定且較小的相位中心，為后續(xù)的RTK定位提供信號(hào)基礎(chǔ)。機(jī)載產(chǎn)品天線(xiàn)多與機(jī)體共型，這會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)的反射面突變，不規(guī)則發(fā)射面產(chǎn)生有害散射，導(dǎo)致天線(xiàn)的方向圖畸變，相位中心穩(wěn)定度變差，低仰角不圓度惡化。

1.1改善天線(xiàn)相位中心穩(wěn)定度

常規(guī)的疊層式天線(xiàn)設(shè)計(jì)可保證相位中心、增益等電性能指標(biāo)，結(jié)合合適的地板和圍框結(jié)構(gòu)，可以有效提升低仰角增益和相位中心。本文主要采用兩種方式來(lái)改善高精度衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端天線(xiàn)的相位中心穩(wěn)定度，一是采用軸向結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱(chēng)性的天線(xiàn)形式，二是采用多點(diǎn)均勻饋電技術(shù)。利用仿真軟件能迅速找到天線(xiàn)PCO以及計(jì)算出相位差值，根據(jù)公式PCV=𝛥𝜑*𝜆/360，其中𝛥𝜑為在一定角度范圍內(nèi)相位波動(dòng)峰峰值，𝜆為波長(zhǎng)，根據(jù)仿真的相位方向圖可以確認(rèn)𝛥𝜑，通過(guò)以上公式可以得到相位中心穩(wěn)定度。通過(guò)不同的天線(xiàn)饋點(diǎn)數(shù)目和不同的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)仿真對(duì)比分析，結(jié)果如圖1所示。匯總數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。綜上數(shù)據(jù)，地板的形狀越接近圓形，而且饋點(diǎn)數(shù)量4個(gè)或以上，相位中心穩(wěn)定度越好，結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)及布局難度，使用4饋點(diǎn)饋電和圓形高臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，天線(xiàn)相位中心穩(wěn)定度滿(mǎn)足高精度天線(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

1.2改善天線(xiàn)低仰角增益

增益等于方向系數(shù)和天線(xiàn)效率的乘積。天線(xiàn)的增益衡量的是天線(xiàn)輻射能量集束程度和能量轉(zhuǎn)換效率的總效益。天線(xiàn)小型化設(shè)計(jì)，必須采用高介電常數(shù)材料，天線(xiàn)尺寸會(huì)有很大程度的縮減，但同時(shí)這也會(huì)惡化天線(xiàn)的阻抗帶寬，損耗增加，增益會(huì)降低；為了克服天線(xiàn)帶寬窄的缺點(diǎn)，使用厚介質(zhì)板，但Q值降低，天線(xiàn)效率降低，增益下降；對(duì)于圓極化微帶天線(xiàn)，其饋電點(diǎn)數(shù)目越多，天線(xiàn)的極化純度越高，軸比帶寬越寬，但饋電點(diǎn)數(shù)目的增加會(huì)同時(shí)增加天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，器件增加也會(huì)帶來(lái)增益損失；不規(guī)則大型金屬底板會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)方向圖畸變，0~360°方位角增益最小值變差。以上種種原因最終導(dǎo)致天線(xiàn)的不圓度指標(biāo)惡化，低仰角增益無(wú)法達(dá)到性能指標(biāo)要求。一般的北斗導(dǎo)航天線(xiàn)下方都會(huì)有LNA模塊，借助此模塊的結(jié)構(gòu)，巧妙設(shè)計(jì)，減少不規(guī)則大型金屬底板對(duì)天線(xiàn)的有害散射。同時(shí)，增加圍欄加載也稱(chēng)翻邊技術(shù)，是一種常用的控制波瓣寬度，有效減少不規(guī)則大地板引起的散射，減少陣元間耦合的方法。從電磁場(chǎng)理論可知，電磁波的輻射能力和繞射能力與波長(zhǎng)有密切關(guān)系，所以利用鋸齒間隙可以很好地平衡不同頻率天線(xiàn)的性能，在仿真中也發(fā)現(xiàn)，由于鋸齒圍欄的加載，對(duì)天線(xiàn)陣元間隔離度也有一定改善，從而減少同頻陣元間互耦。幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。較好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

2實(shí)驗(yàn)

通過(guò)軟件的優(yōu)化仿真得出天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)參數(shù)：圓形凸臺(tái)大小為φ200mm，高13mm；翻邊鋸齒狀圍欄大小為φ120mm，高10mm，厚度2mm，鋸齒寬3mm，間距2.5mm。各個(gè)結(jié)構(gòu)件采用螺釘進(jìn)行緊固。由圖3可見(jiàn)，仰角10°和5°增益分別大于﹣5.05和﹣6.21dBi，不圓度分別為3.03dB和3.55dB。此外，實(shí)測(cè)的相位中心穩(wěn)定度為±1.7mm。

3結(jié)束語(yǔ)

實(shí)物測(cè)試結(jié)果符合仿真計(jì)算且滿(mǎn)足工程需要，所產(chǎn)生的誤差主要來(lái)源于實(shí)際加工過(guò)程中加工誤差以及天線(xiàn)測(cè)試儀器導(dǎo)致的測(cè)試誤差。本文研究的小型化機(jī)載天線(xiàn)及其關(guān)鍵技術(shù)，不僅擁有良好的相位中心穩(wěn)定度，而且實(shí)現(xiàn)了低仰角增益的提高。這種研究對(duì)于有高精度需求且有低仰角高增益要求的微帶天線(xiàn)開(kāi)發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

作者:劉志華 單位:廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司