基于GNSS系统的多频天线设计技术与应用研究

I 摘 要*随着球导航卫星系统）及移动互联网技术的发展，基于位置服务的应用正不断涌现，这就促进了全球卫星导航系统和地面移动通信系统的结合。天线作为兼容系统中的重要组成部分，对兼容系统性能的发挥起着至关重要的作用。由于全球卫星导航系统使用的天线为圆极化方式，而地面移动通信系统使用的是线极化方式的天线，如何在天线上实现这两种极化方式的结合，并保证天线两端口间的隔离度要求，成为多系统导航型天线设计的重点。 本文对基于要工作与创新点有： 1、概述了极化的基本概念，系统地总结了现有圆极化微带天线和多频双极化微带天线的实现方法； 2、设计了一款基于单点馈电技术的双频双极化天线，利用高频仿真软件作了相应的天线样机并进行了实测，天线的测试结果表明该天线能分别以圆极化方式工作于线极化方式工作于线性能良好。 3、设计了一款基于多点馈电技术的多频双极化天线，进行了天线结构仿真和结构参数调整分析，1110S 的3AR 轴比带宽以上的良好性能；在线极化的工作频段内具有3%的2210S 阻抗带宽； 关键词：卫星导航； 天线； 圆极化； 双极化； *本课题得到国家科技重大专项（2009广东省科技重大专项（2009009097资助 on of as an of a on of As is in is to in is in of on of as of is of in a on is It is An is on PS a on is 0in it 0% in In Hz is 7 录 摘 要*. I . 一章 绪论 . 1 题背景及研究意义 . 1 内外研究现状 . 3 文的主要工作和内容安排 . 5 第二章 多频双极化微带天线理论 . 7 言 . 7 化的基本概念 . 7 化的基本定义 . 7 生圆极化波的条件 . 7 极化波的性质 . 12 极化天线的实现方法 . 13 馈点圆极化微带天线 . 13 馈点圆极化微带天线 . 17 元圆极化微带天线 . 19 频双极化天线的实现方法 . 21 一贴片上实现多频工作 . 21 层贴片堆叠结构实现多频工作 . 23 章小结 . 26 第三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计. 27 言 . 27 计目标 . 27 线结构 . 27 真结果 . 29 试结果分析 . 37 . 38 . 41 双端口隔离度测试结果 . 44 差分析 . 45 章小结 . 46 第四章 基于多点馈电技术的多频双极化天线 . 47 言 . 47 . 47 于多点馈电技术的多频双极化天线 . 49 线结构 . 49 构参数调整对天线性能的影响 . 51 真优化结果 . 65 章小结 . 72 第五章 结论与展望 . 74 题的研究背景 . 74 文所做的工作 . 74 作中的不足及未来工作展望 . 75 参考文献 . 76 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 80 致 谢 . 81 第一章 绪论 1 第一章 绪论 题背景及研究意义 球导航卫星系统），有定位、导航和授时三大功能，其主要作用是实时地为用户提供时间和空间上的标准和所有与位置有关的动态信息。全球卫星导航技术的形成和发展给人类社会信息技术的发展注入了新的活力，现已广泛地应用于交通运输、工程施工、抗震救灾、勘探测绘、渔业农业、水利水电和公共安全等领域，并带动了相关产业如电子、通信等和地理信息服务业的发展，产生了显著的经济和社会效益。 最早的卫星导航系统是美国于二十世纪六十年代为军用研制的子午仪卫星定位系统（该系统于1978年发展为于1994年提供全球性服务1。而在20世纪90年代中期开始，欧盟为打破美国在卫星导航领域的垄断地位，也开始积极部署全球卫星导航系统，并促进了民用卫星导航系统的发展。目前已经开始运行的国的全球定位系统（俄罗斯的格洛纳斯导航系统（中国的北斗导航系统（正在建设的盟的伽利略定位系统（日本的准天顶卫星系统（另外，法国、印度等国家也正在积极部署和发展区域性的卫星导航系统；这些导航定位系统在全部建成后其可用的卫星数目将达到100颗以上。美国的于它的提出时间早，同时经过多年的实际应用，在五个系统中技术最为成熟、系统性能最为稳定；俄罗斯的国的现在正在发展北斗二号导航系统，目标是2012年左右覆盖亚太地区，2020年左右实现全球覆盖；欧盟的早将于2020年投入运行；而日本的前只发射了初号机导引号。目前，全球卫星导航系统及其产业的发展方向正经历着四个重大转变： 1）从头并进的进卫星导航体系全球化和增强型多模化的发展； 2）从以卫星导航为应用主体转变为位、导航、授时)与移动通信和因特网等信息载体融合的新时期，开创信息融合化和产业一体化，以及应用智能化的新阶段； 3）从产品的运营商逐步转变为多种应用和服务的提供商，从而为人们提供更多大华南理工大学硕士学位论文 2 众化的应用、产业化的服务和智能化的信息服务； 4）室内外无缝导航代替原来单一的室外导航的新时代，开创基于卫星导航技术的的多技术融合、并促进普遍化和智能化的服务的产生。 上述四个发展趋势必将促使全球导航卫星系统的应用领域和规模的扩大，市场的快速成型和产业服务的普及。 以析其系统组成，可知其组成主要包括：空间星座部分、地面控制部分和用户设备部分；而主要作用是利用从在极大程度上影响此在整个移动通信系统是指移动网络在其覆盖范围内，通过无线的空中接口联系移动台与基站，进而与有线的移动交换机相联系。而移动通信系统采用移动天线来实现发射和接收空间无线信号的功能。因此，天线是整个移动通信网络系统中不可或缺的组成部分。分同步码分多址），是中国提出的自主创新的第三代移动通信标准(简称3G)，也是我国电信技术史上的里程碑2。该标准最早是由中国大陆地区原邮电部电信科学技术研究院（现大唐电信科技股份有限公司）于1998年向001年，包含志着赖于中国庞大的通信市场及发展潜力，前，全球已有一半以上的电信设备商可生产支持共同完善和推动括电信科学技术研究院（原大唐电信科技产业集团）、华为技术有限公司、联想（北京）有限公司、深圳市中兴通讯股份有限公司、中国电子信息产业集团公司、中国移动通信集团公司在内的三十多家企业组成了进了。随着中国移动扩大规模资料统计显示，截至2011年底，占我国内地3随着于作为用户手机和基站中的重要部分，可工作于该频段的天线的研究也得到越来越多的重视，促进了3综上，随着卫星导航技术及移动互联网技术的发展，基于位置服务的应用正不断涌现。现在市场上主要是以论 3 移动互联网接入服务，因此置、实时的移动互联网环境。而天线作为无线通信设备中的重要组成部分，也在这一技术中起到极为重要的作用，能同时接收容）型天线将得到越来越广泛的应用。 内外研究现状 美国全球定位系统中国北斗卫星导航系统的频率包括、2（5591592 5b（11641215 2601300 国的移动通信3 2025收天线的极化方式为垂直线极化。由于圆极化和线极化是两种不同的极化方式，所以要在同一个端口上同时实现这两种极化方式难度比较大，因此考虑采用双端口平面堆叠结构的微带天线来实现。 对于基于内外许多专家都进行了深入的研究，其中以研究献4和5中分别设计了两款款天线都采用单个贴片结构及单点馈电，天线的圆极化是通过对贴片的形状的微调使天线的工作模式得到分离而实现的。文献4中通过对圆环形贴片开槽方式使其以圆极化方式工作于目标的文献5中通过对方形贴片切角方式实现了天线在目标频段的单频圆极化工作。文献6中通过对等边三角形贴片在三角形的的一个顶点或者一条边的中点处加载调谐支节，可以实现天线的圆极化工作，通过在贴片处挖去等长的交叉槽的方法，贴片的大小可比原尺寸减小22%。 实现微带天线的多频段工作模式有多种方式，常见的有以下几种：一种是利用微带天线固有的多模特性，在普通方形或圆形贴片上通过使用加载、挖孔或开槽等方法降低原贴片的高次模的谐振频率，同时将主模和高次模分解成为两近似正交简并模，从而最终实现双频微带天线7该方式多用于实现双频圆极化工作。文献10中，采用单端口馈电，圆形贴片加载环形槽、两个不等长的交叉槽和两个调谐支节，这种天线结构实现了天线的双频圆极化工作，并且可以调整高低频段的中心频率比值至较低的值。 另一种多频天线的实现方式是在同一平面采用组合贴片结构，如方形和方形环组合华南理工大学硕士学位论文 4 或者是圆形和圆形环组合等方式12文献13中，辐射贴片由一个小的圆形贴片和两个半径较大的环形贴片组成，同时天线在地板层加载了两个不等长的交叉槽，通过这种方式实现了天线在两个频段内的圆极化，并且这两个频段的中心频率比值较低，使其适用于无线通信系统，天线的尺寸比普通圆形贴片的天线减小了53%。文献14中，天线基于减小表面波的设计概念，有两层同心的短路环形孔结构，其中一层结构使天线工作于的一层倒置的短路环形孔结构使天线工作于的此实现了天线的双频圆极化工作方式，该天线结构的优势在于能够减小天线的交叉极化，提高前后比，并能抑制低相位的的多径效应，因此能工作在精度要求较高的还有一种实现方式是采用平面堆叠结构，即采用几层介质基片在空间上堆叠方式，每层介质基片上分别附着有辐射贴片从而实现天线的多频段工作15这是实现微带天线多频段工作较普遍的方式。介质基片上附着的辐射贴片大小可以相同，通过加工在不同材料或者不同结构的介质基片上从而实现多频；或者加工在同种材料和尺寸介质基片上，通过设计不同形状和大小的辐射贴片从而实现多频。由于每层上的辐射贴片可以分开设计，而不会相互影响或者制约，因此，在理论上，采用该方法可以实现任意给定的频率比。因为几层贴片可共用一个馈电点也可每层贴片单独采用一个馈电点，因此较容易实现双极化工作方式。文献15中设计了一种采用单点馈电、双层贴片并且每层贴片附着在不同的介电常数的陶瓷基片上的微带贴片天线。通过对两层正方形贴片切角的方式使该天线工作在献21中采用功分器馈电网络和临近耦合同轴馈电的方式，在两层贴片结构上实现了基于括G 献 22采用平面堆叠的双端口结构，实现了圆极化和线极化的结合，并且在两个端口之间有较好的隔离度。文献22中通过方形贴片的微扰结构实现了过加载方形贴片的类似单极子结构实现了献23中通过环形微带天线和加载圆形贴片的类似单极子结构天线的层叠实现了同一频段星数字音频无线电业务）上的圆极化和线极化；文献24中通过方形贴片的微扰结构实现了过环形贴片结构实现了形贴片下方引入空气层，而方形贴片附着在高介电常数的介质基片上，以尽可能减小方形贴片的尺寸至小于环形贴片的内径，因此两者可以在同一高度平面上，使方形贴片能够内嵌入圆环贴片，该天线还通过地板开槽方式来充分减小天线的物理尺寸。文献25中，天线第一章 绪论 5 结构由两层辐射贴片结构和四层介质基片构成的超低剖面集成的微带天线，上层辐射贴片由一个圆形贴片，和与其同心的环形槽及一组弧形槽组成，在用短程通信）层贴片是一个切角的方形贴片，以圆极化方式工作于减小天线的尺寸，该天线在底层介质基板上对两个频段分别单独设计了阻抗匹配网络，并且对大了该端口的输出功率，使该天线结构能够用作一个完整的射频前端装置。当天线采用平面堆叠结构时，两层介质之间可以引入或不引入空气层。引入空气层的平面堆叠微带贴片天线16,18,21,22,24，其优势在于加工容易，能够减小加工误差，但体积较大，也难以实现较小频率比；而没引入空气层的平面堆叠微带贴片天线15,17,19,20,23,25,26，与引入空气层的平面堆叠微带贴片天线相比，更容易实现小的双频比，但这类天线在加工上有一定难度。 文的主要工作和内容安排 本文主要针对基于别是对其中的双频双极化天线及多频双极化天线进行了设计与验证。首先，简要介绍了极化的基本概念，接着重点分析圆极化和线极化微带天线，尤其是多频双极化微带天线的实现方法；其次，在充分研究多频双极化微带天线实现方法和可行结构的基础上，设计出两款适用于后，对所设计的天线进行了仿真与优化，同时对其中一款天线制作了天线实物并进行了测试；最后对仿真数据与测试数据进行了对比和误差分析。 本文主要安排如下： 第一章为绪论部分，介绍课题的研究背景和研究意义，并介绍了本课题研究相关内容在国内外的研究现状。 第二章主要介绍了极化的基本概念与圆极化，线极化微带天线的实现方式，尤其是多频双极化微带天线的实现方式。 第三章提出了一款能兼容美国的 出了天线的设计结构、仿真结果和测试结果，并对天线的仿真与测试结果进行分析和比较，得出了结论，并进行了误差分析。 第四章提出了一款基于多点馈电技术的多频双极化天线，采用先简要介绍了及用 功分器实现圆极化的天线基本原理，最后建立了基于多点馈电技术的多频双极化天线的物理模型并对其进行了综合性的仿真优化和分析。 第五章总结本文的研究工作，指出了不足之处，并对基于第二章 多频双极化微带天线理论 7 第二章 多频双极化微带天线理论 言微带天线由于体积小、剖面低并易于和其他有源器件集成等优点27而在通信及导航等许多领域得到了越来越广泛地应用，因此微带天线的多频与多极化技术也得到了良好地发展。本章将首先讨论极化的基本概念，在此基础之上研究圆极化微带天线和线极化微带天线的实现方法，最后将讨论多频双极化天线的实现方法，为后文的基于化的基本概念 化的基本定义 极化是指当电磁波的电场强度E（或磁场强度H）的方向随时间变化时，其电场强度（或磁场强度）的取向。通常用电场强度矢量端点随着时间在空间描绘出的轨迹来表示电磁波的极化，而我们所说的天线极化常是指该天线在最大辐射方向或最大接收方向电磁波的极化。常见的天线极化方式有两种：一种是线极化，一种是圆极化。 线极化波可以分为水平极化波和垂直极化波。电场的两个分量相位差为0度（同相）或相位差为180度（反相）时，合成电场矢量是线极化。水平极化波的电场强度方向平行于地面，而垂直极化波的电场强度方向垂直于地面。若电场强度矢量的终端在空间的运动轨迹为一个圆形，即电场强度矢量是绕着传播方向的轴线而旋转的，此时的电磁波称为圆极化波。圆极化波可以由两个空间上正交、等幅且相位差为90度的电场强度矢量合成，根据矢量端点旋转方向的不同，圆极化可以是右旋的，也可以是左旋的。 生圆极化波的条件 已知电磁波是三维的横波，假设有两列波沿正平面直角坐标系中，它们的电场矢量分别记为1()2()其相位角为1和2，角频率同为，如图2中()华南理工大学硕士学位论文 8 ()面直角坐标系中的两列电磁波 由图21 12 2( ) ) ) t E = + + （2- 1） 1 12 2( ) ) ) t E = + + （2- 2） 将式（2- 1）和式（2- 2）用两角和的三角函数公式 ) += （2- 3） 展开，整理得到 22() 2 () () () 0AX t BX t Y t CY t F+ + += （2- 4） 式（2- 4）中 ( )221 2 12 1 211 2 2 12 1 2 1 221 2 12 1 22212 12 1 22 ) ( ) )2 ) )y y xy xy x E E E E E =+ =+ + =+ = （2- 5） 可知，式（2 一般椭圆方程。针对两个电场矢量的不同取向，分四种情况对式（2- 4）进行讨论。 1、当两电场矢量空间相互正交时，如图222()=11()=电场矢量空间正交 第二章 多频双极化微带天线理论 9 此时有 11()=22()= 120= 设12 代入式（2- 5），得到 2221222222 212) )B F = = =（2- 6） 将式（2- 6）代入式（2- 4）中，整理得 22212122)() ()() () )x xy tX E += （2- 7） 易知，式（2椭圆方程。因此在这种情况下，两电场矢量形成的是椭圆极化波。比较两电场矢量的相位角大小，可知：当120时，成右旋椭圆极化；当120或者负的( 0)s。 第三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计 31 11波系数11S 12离度12S 华南理工大学硕士学位论文 32 Hz)c）轴比度，f=三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计 33 0度，f=Hz)e）增益图3图3线2210S 的阻抗带宽为75 图34 天线的隔离度2121S 度，f=线在0度，f=线在图3 Hz)a）回波系数22S 第三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计 35 Hz)b）度，f=南理工大学硕士学位论文 36 0度，f=Hz)d）增益三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计 37 试结果分析 根据仿真优化后的天线尺寸，本文加工了天线样品并对其进行了测试。加工时，上层介质基片和下层介质基片所采用的高频板材为350B，两层介质板之间是厚度为6层介质基片的四个角落用四个塑料柱固定位置。 天线的测试环境如下：天线增益、轴比、辐射方向图等辐射参数的测试在通宇通讯设备有限公司的近场天线测试室（暗室）进行，测试仪器为射系数、电压驻波比和隔离度等电路参数的测试在华南理工大学无线通信与传感网络实验室进行，测试仪器为线的实物图如图3线的测试结果如图33a）天线正面 华南理工大学硕士学位论文 38 b）天线背面 c）天线侧面 图3基于单点馈电技术的双频双极化天线实物图 图3线1110S 的阻抗带宽为21 振点（回波系数最小点）的频率为f=仿真结果基本吻合；由图3线3AR 轴比带宽为5 仿真结果基本吻合；度，f=线为右旋极化，交叉极化比为25线在从这两组测试的归一化增益方向图中可以看出该天线的方向图测试结果与仿真结果吻合的较好；0度，f=线为右旋极化，交叉极化比为39 三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计 39 天线在从这两组测试的归一化增益方向图中可以看出该天线的方向图测试结果与仿真结果吻合的较好；由图3 在f=11Hz)a）回波系数11S 华南理工大学硕士学位论文 40 Hz)b）轴比度，f=三章 基于单点馈电技术的双频双极化天线设计