用于衛星定位的多叉單極子陣列天線(xiàn)設計*

*福建省自然科學(xué)基金項目,項目編號：2020J01039；漳州市科技計劃項目，項目編號：ZZ2020J04

衛星定位系統是人類(lèi)20 世紀最偉大的發(fā)明創(chuàng )造之一，它依靠多顆定位衛星和數量龐大的地面終端設備共同實(shí)現高精度的全球定位。目前最成熟最有應用潛力的定位系統是由美國主導研發(fā)設計的全球定位系統和中國自主研發(fā)設計的北斗衛星導航系統。

衛星定位天線(xiàn)是衛星定位系統的重要組成部分，對衛星定位的精度和定位有效距離有著(zhù)決定性的影響。全球定位系統的衛星定位天線(xiàn)需要完全覆蓋（1.164 ～ 1.577）GHz 頻段^[1-6]，北斗衛星導航系統的衛星定位天線(xiàn)需要完全覆蓋（1.204 ～ 1.564）GHz工作頻段^[7-10]。合格的衛星定位天線(xiàn)需要同時(shí)兼容全球定位系統和北斗衛星導航系統工作頻段，并能滿(mǎn)足輻射強度高、工作帶寬大、有充足性能冗余、輻射能量集中、能夠窄波束定向輻射等要求。

1 多叉單極子天線(xiàn)簡(jiǎn)介

多叉單極子天線(xiàn)的結構如圖1所示。該天線(xiàn)的基本輻射單元是星形切角輻射貼片，它由四角星經(jīng)過(guò)切角處理得到。四角星結構具有良好的對稱(chēng)性，8 條邊長(cháng)度相等，作為輻射貼片時(shí)，8 條輻射邊沿的輻射會(huì )同相疊加，形成輻射強度很高的輻射頻段。對四角星結構進(jìn)行切角處理后，其內部轉角全部變?yōu)殁g角，電流傳輸時(shí)的衰減大大減弱，輻射強度能得到明顯的提高。衛星定位天線(xiàn)傳輸的距離很遠，需要從地面穿過(guò)地球大氣層與衛星進(jìn)行通信，因此對窄波束定向輻射能力的要求很高。微帶單極子天線(xiàn)具有高輻射強度和優(yōu)良定向輻射工作能力，很適合作為衛星定位天線(xiàn)的基礎結構。傳統的微帶單極子天線(xiàn)工作帶寬較小，不能完全覆蓋全球定位系統和北斗衛星導航系統工作頻段，需要改進(jìn)結構來(lái)增大工作帶寬。多叉單極子天線(xiàn)是對傳統的微帶單極子天線(xiàn)的創(chuàng )造性改進(jìn)設計，它由饋電貼片和多個(gè)輻射臂組成，每個(gè)輻射臂包含多個(gè)星形切角輻射貼片。饋電貼片和任一輻射臂都可以組成一個(gè)微帶單極子天線(xiàn)，具有較高輻射強度和良好的定向輻射能力，整個(gè)多叉單極子天線(xiàn)可以看作是多個(gè)工作在不同頻段的微帶單極子天線(xiàn)疊加在一起，多個(gè)輻射頻段可以融合成一個(gè)較大的輻射頻段，解決了微帶單極子天線(xiàn)工作頻段較小的問(wèn)題。

圖1 多叉單極子輻射結構

2 不對稱(chēng)陣列天線(xiàn)簡(jiǎn)介

不對稱(chēng)陣列天線(xiàn)是一種改進(jìn)型直線(xiàn)陣列天線(xiàn)，其陣元天線(xiàn)是結構相似，但是尺寸結構有所區別的天線(xiàn)結構。使用不對稱(chēng)陣列天線(xiàn)可以在利用組陣提高天線(xiàn)輻射強度的同時(shí)，利用陣元天線(xiàn)的不對稱(chēng)性，讓多個(gè)陣元天線(xiàn)工作在不同頻段，利用頻率疊加效應來(lái)拓展天線(xiàn)的工作頻段。

3 天線(xiàn)結構設計

PEEK（聚醚醚酮）材料是一種特種工程塑料，具有耐腐蝕、高頻高壓電性能好、電絕緣性能好等特點(diǎn)^[11-17]，在3D 打印行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應用，可以通過(guò)3D 打印技術(shù)被制作成各種無(wú)線(xiàn)通信終端設備的外殼。PEEK 材料具有對射頻信號的損耗較小，能夠滿(mǎn)足衛星定位天線(xiàn)對基質(zhì)材料的要求。

天線(xiàn)尺寸為35 mm×20 mm×1 mm，使用介電常數為5 的聚醚醚酮基板作為介質(zhì)基板。天線(xiàn)輻射貼片結構如圖2 所示。

圖2 天線(xiàn)輻射貼片結構

天線(xiàn)輻射貼片由兩個(gè)不對稱(chēng)的多叉單極子天線(xiàn)組成，微帶單極子天線(xiàn)結構保證了天線(xiàn)具有較大的輻射強度和優(yōu)異的定向輻射能力，星形切角輻射貼片組成的多個(gè)輻射臂保證了天線(xiàn)具有良好的寬頻帶工作能力，不對稱(chēng)陣列結構進(jìn)一步拓展了天線(xiàn)的工作帶寬。

4 天線(xiàn)輻射性能測試

我們使用3D 打印技術(shù)制作了天線(xiàn)樣品，使用矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和OATS 系統對天線(xiàn)的輻射性能和方向性能進(jìn)行了實(shí)際測試，結果如圖3~ 圖5 所示。

圖3 天線(xiàn)輻射性能實(shí)測結果

圖4 天線(xiàn)E面方向圖實(shí)測結果

圖5 天線(xiàn)H面方向圖實(shí)測結果

該款天線(xiàn)的工作頻帶范圍為（1.098-1.792）GHz，工作帶寬為0.694 GHz，天線(xiàn)諧振頻率為1.30 GHz，天線(xiàn)的最低S11 是-27.62 dB。該款天線(xiàn)完全覆蓋了全球定位系統的（1.164 ～ 1.577）GHz 工作頻段和北斗衛星導航系統的（1.204 ～ 1.564）GHz 工作頻段。

天線(xiàn)的方向圖的最大增益為15.25 dB，E 面和H 面副瓣和后瓣都較小，天線(xiàn)輻射能量很集中，定向輻射能力優(yōu)異。

5 結束語(yǔ)

本文針對兩種衛星定位系統對定位天線(xiàn)的性能要求，創(chuàng )造性地將星形切角輻射貼片、微帶單極子天線(xiàn)、多叉單極子天線(xiàn)、不對稱(chēng)陣列天線(xiàn)相結合，設計了一款用于衛星定位的多叉單極子陣列天線(xiàn)。在設計中，使用多個(gè)星形切角輻射貼片組成多個(gè)輻射臂，再與饋電貼片相結合組成多叉單極子天線(xiàn)，保證天線(xiàn)基本輻射結構兼具高輻射強度、優(yōu)良定向輻射工作能力和寬頻帶輻射工作能力，使用不對稱(chēng)陣列天線(xiàn)結構進(jìn)一步增強了天線(xiàn)的帶寬性能。天線(xiàn)樣品實(shí)測結果表明，該款天線(xiàn)具有良好的窄波束單方向輻射工作性能，能夠完全覆蓋全球定位系統和北斗衛星導航系統工作頻段，并具有較大性能冗余，有望在衛星定位設備中得到大規模使用。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）