一種新式寬頻帶寬波束圓極化微帶導航終端天線(xiàn)設計

　　1 引言

　　衛星導航近年得到了越來(lái)越廣泛的應用，從而帶動(dòng)了導航終端天線(xiàn)的迅速發(fā)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(gè)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采用的頻率不盡相同，但頻率范圍都在1164~1600MHz之間，只要能設計一種寬頻帶天線(xiàn)覆蓋這個(gè)頻帶，則該天線(xiàn)具有良好的通用性和兼容性，可以應用于不同的導航系統。

　　由于需要接收多顆導航衛星的信號才可以進(jìn)行導航和定位的結算，所以終端天線(xiàn)需要具有寬波束;同時(shí)由于導航衛星發(fā)射右旋圓極化的導航信號，要求導航終端天線(xiàn)具有良好的右旋圓極化特性。用于導航終端的天線(xiàn)有諸多文獻報道，但基本上都是針對GPS系統，天線(xiàn)形式多為單頻、雙頻、三頻的微帶天線(xiàn);有的是不具備低剖面特點(diǎn)的四臂螺旋天線(xiàn);這些天線(xiàn)的缺點(diǎn)是難以實(shí)現寬頻段，不能完全覆蓋所有衛星導航系統的頻段，對于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(xiàn)，它采用L型探針饋電來(lái)展寬天線(xiàn)頻帶，采用四點(diǎn)饋電技術(shù)來(lái)實(shí)現圓極化，采用天線(xiàn)罩和天線(xiàn)一體化設計來(lái)保證天線(xiàn)具有良好的環(huán)境特性和機械特性。測試結果表明該天線(xiàn)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，能夠用于機載、星載和地面等場(chǎng)合。

　　2 天線(xiàn)結構

　　天線(xiàn)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(xiàn)地板為方形，邊長(cháng)L為80mm;天線(xiàn)支撐介質(zhì)為方形，邊長(cháng)L為80mm，支撐介質(zhì)的厚度H為19mm，該介質(zhì)的節電常數為3.15;天線(xiàn)和天線(xiàn)罩一體化設計，天線(xiàn)罩和天線(xiàn)支撐介質(zhì)為相同的介質(zhì)材料，輻射貼片嵌入該介質(zhì)中，天線(xiàn)罩的厚度H1為3mm;L型饋電探針的饋電點(diǎn)距天線(xiàn)幾何中心的距離F為32mm，L型探針的高度H2為12mm，長(cháng)度L1為17.4mm。

　　圖1 天線(xiàn)結構

　　3 天線(xiàn)測試結果

　　天線(xiàn)實(shí)物和饋電網(wǎng)絡(luò )照片如圖2所示。天線(xiàn)回波損耗測試采用了Agilent 8362B矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，測試結果如圖3所示，可以看出回波損耗小于-10dB的頻率范圍為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(xiàn)方向圖和增益在微波暗室中進(jìn)行測試。天線(xiàn)在1.227GHz所測得的E面方向圖如圖4所示，可以看出天線(xiàn)的最大增益為4.0dBi，3dB波束寬度為72°，天線(xiàn)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(xiàn)在1.575GHz所測得的E面方向圖如圖5所示，可以看出天線(xiàn)的最大增益為4.87dBi，3dB波束寬度為83°，天線(xiàn)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(xiàn)軸比方向圖也在微波暗室中進(jìn)行測試。測試采用旋轉線(xiàn)源法，即將發(fā)射線(xiàn)極化脊喇叭天線(xiàn)按照一定的速度(一般是被測天線(xiàn)轉速的20倍)旋轉，待測天線(xiàn)接收到信號上下包絡(luò )的差值即為天線(xiàn)的軸比。天線(xiàn)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(xiàn)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。

　　(a) (b)

　　圖2 (a)天線(xiàn)照片 (b) 饋電網(wǎng)絡(luò )照片　　

　　圖3 實(shí)測駐波比

　　圖4 1.227GHz主平面實(shí)測方向圖

　　圖5 1.575GHz主平面實(shí)測方向圖

　　圖6 1.227GHz主平面實(shí)測軸比方向圖

　　圖7 1.575GHz主平面實(shí)測軸比方向圖

　　4 結論

　　本文提出了一種新穎的圓極化、寬頻帶、寬波束微帶天線(xiàn)，天線(xiàn)實(shí)測阻抗帶寬達到44.3%。由于采用了純機械加工的實(shí)現方法，天線(xiàn)具有良好的機械特性，能夠滿(mǎn)足苛刻的振動(dòng)和沖擊試驗要求;能夠滿(mǎn)足溫度變化對天線(xiàn)電性能影響的要求，而傳統采用印制工藝的微帶天線(xiàn)在溫度劇變的條件下覆銅金屬會(huì )剝落，天線(xiàn)會(huì )被損毀。該天線(xiàn)采用能夠滿(mǎn)足航空或者航天要求的介質(zhì)支撐材料，可以廣泛應用與機載和星載等衛星導航終端等場(chǎng)合。