新式寬頻帶寬波束圓極化微帶導航終端天線設計詳細教程

2020-12-05 電子發燒友

新式寬頻帶寬波束圓極化微帶導航終端天線設計詳細教程

工程師2 發表於 2018-04-19 10:08:00

1 引言

衛星導航近年得到了越來越廣泛的應用，從而帶動了導航終端天線的迅速發展。目前得到廣泛應用的是GPS（Global PosiTIon System）系統和GLONASS系統，正在建設中的Galileo系統也是一個全球導航定位系統。這些全球定位系統的頻段各不相同，比如GPS的頻帶為1575.42±2.046MHz，1227.60±2.046MHz；Galileo的頻帶為 1164~1215MHz，1260~1300MHz和1559~1592MHz。雖然這些導航系統所採用的頻率不盡相同，但頻率範圍都在1164~1600MHz之間，只要能設計一種寬頻帶天線覆蓋這個頻帶，則該天線具有良好的通用性和兼容性，可以應用於不同的導航系統。

由於需要接收多顆導航衛星的信號才可以進行導航和定位的結算，所以終端天線需要具有寬波束；同時由於導航衛星發射右旋圓極化的導航信號，要求導航終端天線具有良好的右旋圓極化特性。用於導航終端的天線有諸多文獻報導，但基本上都是針對GPS系統，天線形式多為單頻、雙頻、三頻的微帶天線；有的是不具備低剖面特點的四臂螺旋天線；這些天線的缺點是難以實現寬頻段，不能完全覆蓋所有衛星導航系統的頻段，對於不同系統的導航的接收系統不具備兼容性。

本文提出一種微帶天線，它採用L型探針饋電來展寬天線頻帶，採用四點饋電技術來實現圓極化，採用天線罩和天線一體化設計來保證天線具有良好的環境特性和機械特性。測試結果表明該天線的阻抗帶寬達到44.3%，能夠覆蓋現有主要導航系統的所有工作頻段，且具有良好的寬波束特性和圓極化特性，能夠用於機載、星載和地面等場合。

2 天線結構

天線在HFSS中建立的模型如圖1所示，金屬輻射貼片直徑D為56mm，厚度為1mm；天線地板為方形，邊長L為80mm；天線支撐介質為方形，邊長L為80mm，支撐介質的厚度H為19mm，該介質的節電常數為3.15；天線和天線罩一體化設計，天線罩和天線支撐介質為相同的介質材料，輻射貼片嵌入該介質中，天線罩的厚度H1為3mm；L型饋電探針的饋電點距天線幾何中心的距離F為32mm，L型探針的高度H2為12mm，長度L1為17.4mm。

圖1 天線結構

3 天線測試結果

天線實物和饋電網絡照片如圖2所示。天線回波損耗測試採用了Agilent 8362B矢量網絡分析儀，測試結果如圖3所示，可以看出回波損耗小於-10dB的頻率範圍為1.16GHz到1.82GHz，阻抗帶寬為44.3%，覆蓋了幾種主流全球衛星導航系統的所有頻段，具有良好的兼容性和通用性。

天線方向圖和增益在微波暗室中進行測試。天線在1.227GHz所測得的E面方向圖如圖4所示，可以看出天線的最大增益為4.0dBi，3dB波束寬度為72°，天線在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分別為1.04 dBi、-0.79 dBi、-3.72 dBi、-6.51 dBi。天線在1.575GHz所測得的E面方向圖如圖5所示，可以看出天線的最大增益為4.87dBi，3dB波束寬度為83°，天線在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分別為3.7 dBi、-0.01 dBi、-3.68 dBi、-5.11 dBi。

天線軸比方向圖也在微波暗室中進行測試。測試採用旋轉線源法，即將發射線極化脊喇叭天線按照一定的速度（一般是被測天線轉速的20倍）旋轉，待測天線接收到信號上下包絡的差值即為天線的軸比。天線在1.227GHz所測得的E面軸比方向圖如圖6所示，可以看出，在±10°角域AR《3dB，在±60°角域AR《6dB。天線在1.575GHz所測得的E面軸比方向圖如圖7所示，可以看出，在±50°角域AR《3dB。

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