应用于卫星导航系统的微带天线设计

要 自20世纪70年代中期以来，微带天线的理论得到极大发展，因微带天线结构紧凑、体积小、重量轻、剖面低、易制造等特点而受到人们的青睐。而圆极化微带天线综合了微带天线的众多优点，而且圆极化波自身也存在一些特点，如圆极化波能够抑制雨雾干扰、抗多径反射、具有更好的移动性等特点，因此圆极化被广泛应用于雷达、导航、卫星等系统中。卫星导航对通信、军事、交通、广播、娱乐等行业都做出了巨大的贡献，因此研究卫星导航已经非常有必要。 天线作为卫星导航系统的重要组成部分，天线性能直接影响接收机的性能和灵敏度，因此对天线性能提出了更高要求，而天线的小型化对于整个系统来说是发展的必然趋势。在卫星导航设备的各种应用场合中，在保证精度同时，希望设备既小又轻，因此设备的小型化就显得极其重要了。我国今后的卫星系统应具有更小的尺寸以及更高的集成度。 本文结合理论基础和电磁仿真软件计了一款应用于卫星导航系统的圆极化微带天线，其工作频段在 2491 5化方式为右旋圆极化。通过对圆形贴片对称开槽，以及对贴片的边进行切角处理和在中心处开孔等方式，天线获得良好的圆极化性并实现了小型化。对于单馈点圆极化微带天线，其原理是贴片上的矩形缝隙激励起幅度相等和相位相差900的简并模，从而就可以实现圆极化。通过调整贴片四边的切角深度和圆槽半径以实现天线小型化，其原理是通过在辐射贴片上开槽或者改变辐射贴片边缘的形状结构，从而引入微扰使表面电流曲折流动，电流有效路径变长，谐振频率就会减小。在保证辐射贴片实际尺寸不变情况下增加了贴片的有效长度，在工作频率固定的情况下，减小了天线的尺寸。本文设计的单元天线最大特点是，与具有相同介电常数的介质板微带天线相比较，天线的尺寸下降了15%，同时还保证了良好的增益和带宽，天线的增益达 天线在有效减小天线尺寸与保证天线的增益之间取得了一个较好的折中，同时天线实现很好的圆极化辐射。 本文采用一种新的设计方法，单独设计阵列的馈电网络，与天线主体分离，这样不仅可以减小天线阵列的尺寸，并且减少了馈电网络与天线之间的耦合，而且适于单独调试。通过计了一个一分四的威尔金森功分器，仿真结果表明功率分配器具有反射小、插损小、隔离度高等性能，完全符合设计要求。另外，对上述单元天线进行组阵，分别为 41 线阵和 22 面阵，通过电磁仿真软件比，增益等指标，最终选择结构紧凑的 22 面阵，最后对 22 面阵实物加工和测试。 关键词： 卫星定位系统，圆极化微带天线，阵列天线，功分器 970s, of of to so of of as of so So in so to So it is to As of s of to a of of we we is of is of is 491 5is a is By of be of a 00be by be By in of of is is on or of to s is of a of is in of a of is of in is s 5%a a a of a a a is of is to of of of By DS a is So of In a 41 a 22 we of by of so a is 22 is 录 摘 要 . 录 .1章 绪论 .研究背景和意义 .全球卫星导航系统介绍 .国内外研究现状和趋势 .论文的主要内容和安排 .2章 微带天线基本原理概述 .微带天线的定义、分类和结构 . 微带天线的定义 . 微带天线的分类 . 微带天线的结构 .微带天线的辐射机理 .微带天线的馈电方式 . 微带线馈电 . 同轴线馈电 . 电磁耦合馈电 . 缝隙耦合馈电 .微带天线的基本参数 . 频带宽度 . E 面和 H 面方向图 . 方向性和增益 . 天线极化 . 阻抗匹配 . 输入阻抗 .圆形微带天线分析 . 圆形微带天线场和电流分析 . 圆形微带天线远区场计算 . 圆形微带天线谐振频率计算 . 圆形微带天线输入阻抗计算 .本章小结 .3章 卫星导航系统中微带天线的圆极化技术 .圆极化基本概念 . 天线的圆极化技术 . 圆极化的性质 .极化的参数 .极化天线输入阻抗 .极化天线轴比 .极化天线增益 .圆极化天线设计理论 . 单点馈电矩形圆极化微带天线 . 单点馈电圆形圆极化微带天线 . 多点馈电圆极化微带天线 . 多元法圆极化微带天线 .圆极化微带天线的小型化 . 增大介质板的相对介电常数 . 曲流技术 . 加载微带天线技术 .本章小结 .4章 圆极化卫星导航天线的单元设计 .技术指标及设计方案 . 设计指标 . 设计方案 .元天线设计 . 选取合适的介质板 . 确定圆形贴片半径大小 . 馈电方式选择 . 天线结构及原理 .天线性能与特性分析 . 介电常数的仿真优化 . 圆形贴片半径的仿真优化 . 缝隙和切角尺寸的仿真 . 天线上的场分布 .优化参数及仿真图 .实物制作与测试 .本章小结 .5章 卫星导航天线阵列设计 .带阵列的基本辐射理论 . 线阵 . 面阵 .微带阵列天线馈电方法 . 并联馈电 . 串联馈电 .微带阵列天线馈电形式比较 .微带功率分配器的设计 . 威尔金森功分器基本原理 . 威尔金森功分器的仿真优化 .尔金森功分器的 真 .尔金森功分器的 真 . 威尔金森功分器的实物加工与测试 .阵列天线设计 . 41 线阵结构设计与仿真 . 22 面阵结构设计与仿真 .41 线阵和 22 面阵对比 .阵列天线加工及测试 .本章小结 .6章 总结与展望 .谢 .考文献 .1第 1 章 绪论 研究背景和意义 自从赫兹证明了电磁波的存在，以及马可尼发明了无线电，天线成了无线电通信和探测系统中不可或缺的重要组成部分。它的作用是发射和接收电磁波，作为发射天线，它的功能是将高频电流转化成电磁波并定向的发射出去，而作为接收天线，它作相反的变化，这样就可实现任意两点间的电磁波传送。从上世纪的点对点通信到现在覆盖全球的卫星导航系统，可以说天线在社会生活中的重要性已日益重要，成不可或缺之势。现如今天线已经广泛渗透于我们生活中的各个领域，如无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感测控等工程系统。天线作为无线系统中的“耳目” ，处在系统最高端，它的性能直接影响到整个系统的指标。现如今的天线各式各样，但是不管怎样，它们都得遵守相同的电磁场与电磁波原理。 随着无线电技术的发展，天线技术也在随之不断更新，线极化的天线已远远不能满足人们的需求，因此圆极化天线的作用已越显重要。圆极化天线特点主要体现在以下几方面。圆极化天线能接收任意极化来波，且其辐射的电磁波可以由任意极化的天线接收到。天线若辐射的是左旋圆极化波，则只能接收左旋圆极化波而不可以接收右旋圆极化波。反之，如果天线辐射右旋圆极化波，则只可接收右旋圆极化波，称之为圆极化的正交性。当圆极化波入射到对称目标时，反射波就变为反旋向的，即右旋变左旋，左旋变右旋，因此圆极化天线可用于移动通信、以抑制雨雾的干扰和抗多径反射1,2。 由于圆极化天线具备以上特点，因此圆极化天线可被广泛用于卫星通讯航空飞行器、雷达系统、电子对抗、电视广播、射频识别等领域中。在卫星通信和遥感遥测设备当中，采用圆极化天线除了可以减小信号的遗失，还可有效消除由于电离层法拉第旋转效应而引起的畸变效应；在航空飞行器上，圆极化天线可以使飞行器在左右晃动、翻滚以及俯仰升降的状态下均能接收到信息；在雷达系统中，圆极化天线可减少雨雾干扰；在电子对抗中，使用圆极化天线可侦察和干扰敌方除了反向圆 极化信号以外的各种极化方式的无线电磁波；在电视广播应用中，圆极化天线可以减弱或消除由于多次反射而造成的重影现象，并能有效的扩大信号覆盖范围；在射频识别系统中，要求读写器天线是圆极化天线，这样才可以实现当标签天线指向发生改变时不会因极化失配而导致无法识别。由以上可以看出圆极化天线的应用前途是非常广阔的，因此研究圆极化天线具有十分重要的意义。 随着科学技术的不断发展，当今社会已是电子信息时代，传统陆基无线电导航系统由于其定位精度较低、信号的覆盖区域有限等缺点，已无法满足高精度导航系统的要求。为此，快速且精确的卫星导航系统则顺势而来，并且在军事和民用领域得到广泛应用。在生产和生活中，卫星导航产品也已逐渐成熟，从日常的开车出游到飞机的降落、轮船的停靠 2以及大地的测量和勘探等，都广泛的用到卫星导航技术；在战争中，卫星导航也发挥了它巨大的作用，如导弹和炸弹均采用了卫星导航技术，大大的提高了作战杀伤力。 目前，全球卫星导航系统主要包括美国的 、俄罗斯的 、中国的、欧盟的 统6,7四大导航系统。现在，其他国家也在积极的研制本国区域性卫星导航系统，使之成为 航的增强系统。而我国目前也正全方面的致力于建设卫星导航系统，我国自行建立的卫星导航系统能为我军提供快速定位、数字短时报文通信和授时等三项服务，这样可以大大提高我军的机动作战能力。因其非常重要的军事意义，决定了整套设备必须拥有自己的产权。在卫星导航设备的各种应用场合中，在保证精度同时，也希望设备既小又轻，因此设备的小型化就显得极其的重要了。而微带天线因体积小、重量轻、易于得到各种形式的极化、易集成等特点，微带天线在卫星导航系统中的应用变得十分重要。 全球卫星导航系统介绍 目前，全球有四种主要的导航定位系统，而中国的北斗卫星系统是我国具有自主知识产权的卫星导航系统，与美国的 罗斯的格罗纳斯，欧盟的伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。它们的研制成功的打破了卫星导航应用市场被国外 断的局面。下面简单介绍四大导航系统。 (1) 美国队的 国的 统在1973年12月被认可，1978年发射第一颗卫星，直到199 4年2月，联邦航空局才宣布了 投入使用。 有24颗卫星，其中有21颗工作星和3颗备份，卫星分布在距离地表面 20200 公里上空的 6 个辊道平面上，每个辊道面上有 4 颗，轨道的倾角为 550。理论上讲，地球上任何位置任何时间， 收机应能接收 到4到11颗卫星信号，因此该系统能够向具有适当接收机的用户提供精确的连续的三维位置、速度以及时间信息。 位系统有三大子系：定向卫星系统 、地面检测系统、用户接收系统。1 波段)2 波段)， 采用 C/A(和 P 码( 种不同扩频码的调制方式，分别可以提供军用和民用两种不同的服务，民用标准定位服务精度为 100 米，精确定位服务是为军方以及政府机构使用而服务的，其精度为8米。 统具有以下特点：高精度、全天候、高效率、多 功能、操作简单以及应用广泛等。 统可用于测速和测时。测速精度可以达到 0.1 m/s，测时精度可以达到几十毫微秒。 应用现在的应用范围已变的十分广阔， 统起初设计目的是用来导航、收集情报等军事目的，但是后来 统不仅能够达到上述目的，而且可用 星发来的信号进行精度为厘米级甚至毫米级的静态相对定位、米级到亚米级的动态定位、亚米级到厘米级的速度测量、毫微秒级的时间测量。由此看来 位系统展现出了极其广阔的应用前景。 3随着 收机不断的改进，自动化程度越来越高，有的已达到傻瓜式程度，接收机的重量越来越轻，体积也越来越小，极大减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使测量工作者在野外工作感到轻松，提高了工作效率。目前 测可以在一天24小时内的任意时间进行，不会因为阴天黑夜、刮风下雨等气候而受到影响。 (2) 俄罗斯的 罗斯 苏联国防部在70年代中期独立研制和控制的军用卫星导航系统，它的原理和方案均与美国 似，也是由卫星星座地面、监测控制站和用户设备三大部分组成，与美国 同的是 统采用的方法为频分多址( 然后根据载波频率不同来区分位置( 码分多址)。 星可以发射两种载波频率，它们分别为： 602+ 246+其中 K 为 1 至 24，是每颗卫星频率的编号。 1991 年苏联解体，其中最大的一个国家是俄罗斯， 航系统由俄罗斯航天局管理的。由于国家的解体，因此地面支持系统受到损失，使得 统受到严重破坏。1991 年，只剩下七颗卫星可工作，此时系统处于降效运行状态。目前俄罗斯航宇局已在逐步修复 统。 (3) 欧盟的 统 星系统是由欧盟运行管理并控制的全球卫星导航系统。200 1年4月被正式提出， 但是由于经费和领导权方面存在一些争议而使得 划拖延， 直到2005年 打破 垄断