（电磁场与微波技术专业论文）北斗卫星导航系统车载天线研究.pdf

l n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g e o fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s e a r c ho nc a rb o r n ea n t e n n af o r c o m p a s s s a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e m a t h e s i si n e l e c t r o n i c ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y a d v i s e db y s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 师指导 下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已 经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他 人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的 复印件，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 。 作者签名：垄釜直聋 e l 期：主殳lq 生! 墨 贴片天线通常具有体积小、制造简单的优点，其最大增益方向一般出现在贴片的垂直平面 方向，如采用这种天线的海事卫星手机在使用时将手持机的最大增益方向对准卫星所在位置就 可以实现收发信号。国内使用的第一代北斗导航卫星固定在地球赤道正上方的地球同步轨道， 卫星位置并不是在天顶位置。对于国内用户尤其是纬度较高的用户而言，由于轨道位置较高， 为了确保接收效果，必须将天线的最大增益方向对准卫星所在位置。 北斗手持机使用的是贴片天线，使用时可以通过手持机位置的变化将天线的最大增益方向 对准卫星。但对于天线固定安装的地面车辆来说，如果仍然使用普通贴片天线，由于不可能在 车辆机动过程中还转动天线来对准卫星所在轨道，所以卫星信号接收效果不是很好。为确保接 收效果，车载天线的最大增益最好出现在卫星所在的轨道位置，并且具有方位角上的全向性， 同时考虑到车辆的机动性以及我国疆土幅员辽阔，天线必须具有较好的低仰角的特性，可以使 装备该天线的车辆在任何地区都能接收到北斗卫星导航信号。传统的贴片天线显然已经不符合 车载系统的要求。本文从实际使用角度出发，研制了两种具有高增益、低仰角特性的车载天线， 并就增益、低仰角特性以及轴比等关键性能和贴片天线进行了对比。 本文的研究内容主要分为四部分：l 、研制了授时用的圆锥对数螺旋天线；2 、对圆锥对数 螺旋天线进行了小型化；3 、研制了收发双用的双频四臂螺旋天线：4 、采用新颖的曲折臂技术 对四肇螺旋天线进行了小型化。 本文首先在非频变理论和大量仿真计算的基础上，分析了圆锥对数螺旋天线的结构、设计 公式以及性能指标等，然后设计、制作了一款适用于北斗频段的圆锥对数螺旋天线，天线不仅 具有低仰角特性，而且通过具体参数的选择，其最大增益方向指向卫星所在轨道，提高了信号 捕获的可靠性。天线实体在微波暗室进行了实验测试。之后又采用在辐射臂尾端增加匹配负载 的方法，对圆锥螺旋天线进行了小型化，使得其高度下降5 0 。 本文后半部分针对北斗一代卫星导航定位系统的特点，即如果要实现定位，必须采用收发 双用的天线系统，设计和研制了一款层叠的圆柱四臂螺旋天线。这套系统可以实现l 波段的左 旋圆极化信号( l h c p ) 的发射和s 波段右旋圆极化信号( r h c p ) 的接收，而且天线具有极好 的低仰角性能和轴比性能，该天线具有很好的实际应用前景。本文在最后采用曲折臂技术对圆 柱四臂螺旋天线进行了小型化，天线的高度降低达6 7 ，而且天线的带宽明显增加，达到了小 型化的目的。 关键词：车载天线，圆锥对数螺旋，圆柱四臂螺旋，曲折臂，小型化 北斗卫星导航系统车载天线研究 a b s t r a c t n o r m a l l y , t h em a x i m i z eg a i no ft h ep a t c ha n t e n n a s ，w h i c hh a v et h ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z ea n d e a s yt of a b r i c a t ea n ds i m p l es t m c t i l r e ，i so c c u r r e da tt h ep a t c hv e r t e x ，s u c ha st h ea n t e n n au s e di nt h e i s a t p h o n ec a l lb ea i m e dt h eh a n d s e tt ot h es a t e l l i t e t h ef i r s tg e n e r a t i o nc o m p a s ss a t e l l i t en a v i g a t i o n s y s t e mo fc h i n af i x e di ng e o s y n c h r o n o u so r b i tw h i c hi sr i g h ta b o v et h ee q u a t o r , t h es a t e l l i t e s l o c a t i o ni sn o ti nt h ez e i t hp o s i t i o n f o rd o m e s t i cu s e r s ，s p e c a i l l yu s e r so fh i g hl a t i t u d e s ，s i n c et h e n a v i g a t i o ns a t e l l i t e sl o c a t e di nv e r yh i g hp o s i t i o n ，i no r d e rt oe n s u r et h er e c e p t i o n ，t h em a x i m i z eg a i n o f t h ea n t e n n am u s td i r e c t e dt o w a r d ss a t e l l i t e sl o c a t i o n o u rr e s e a r c hw o r kh a sb e e nd i v i d e di n t of o u rp a r t s ，t h a ti s ( 1 ) t od e s i g na n dm a n u f a c t u r e da c o n i c a ls p i r a la n t e n n af o rt h ec o m p a s ss y s t e m ：, ( 2 ) t om i n i m i z et h ec o n i c a ls p i r a la n t e n n a ；( 3 ) t o d e s i g nap a i ro fq u a d r i f i l l a rh e l i xa n t e n n a sf o rt h ec o m p a s ss y s t e m , a n d ( 4 ) t om i n i m i z et h e q u a d r i f i l l a rh e l i xa n t e n n ab yu s i n gm e a n d e rl i n et e c h n i q u e f i r s t l y , w eh a v ea n a l y z e d ，w h i c hb a s e d o nt h et h e o r yo ft h ef r e q u e n c y i n d e p e n d e n ta n t e n n aa n da 1 0 to fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec o n f i g u r a t i o n ，t h ed e s i g ng r a p ha n dt h ep r o p e r t i e so ft h ec o n i c a ls p i r a l a n t e n n a ，w eh a v ed e s i g n e da n df a b r i c a t e dac o n i c a ls p i r a la n t e n n a ( c s a ) f o rt h ec o m p a s ss y s t e mt o r e c e i v et i m i n gs i g n a l w h i l et h em a x i m i z eg a i no ft h i sc s aa i mt ot h e o b i to fs a t e l l i t e ，w h i c h i m p r o v e st h ec a p a b i l i t yo fi n t e r c e p t i n gt h en a v i g a t i o ns i g n a l t h ec s ah a sb e e nm e a s u r e di n m i c r o w a v ec h a m b e r a ts a m et i m e ，t h ec s ah a sm i n i m i z e dt or e d u c et h eh e i g h to ft h ea n t e n n a ，a n d f i n a l l yo b t a i n e dm o r et h a n5 0 h e i g h tr e d u c t i o n t h el a s tp a r to ft h et h e s i si sc o n c e n t r a t e dt oa n a l y z ea n dd e s i g nap a i ro fq u a d r i f i l l a rh e l i x a n t e n n a sf o rt h ec a rb o r n es y s t e m , t h ea n t e n n as y s t e mh a sb o t hc h a r a c t e r t i c so ft h et r a n s m i t t i n ga n d t h er e c e i v i n g t l l i sa n t e n n ac a nw o r ki nl - b a n dt r a n s m i t t i n gw i t ht h el e f t - h a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ( l h c p ) a n ds - b a n dr e c e i v i n gw i t ht h er i g h t - h a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ( r h c p ) ，a n dh a sg r e a t a d v a n t a g e si nt h el o we l e v a t i o np e r f o r m a n c ea n dt h ea x i sr a t i ow i t hap r o s p e c to fp r a c t i c a lu s i n g c o n s i d e r i n gt om i n i a t u r i z a t i o no ft h ea n t e n n a ，m o r e o v e r , t h r o u g hl o t so ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n sa n d s i m u l a t i o n s ，w eu t h em e a n d e rl i n et e c h n i q u et om i n i m i z et h eh e i g h to ft h eq u a d r i f i l l a rh e l i x a n t e n n a ，a n dt h eh e i g h tf i n a l l yh a sb e e nr e d u c e db y6 7 a n dt h eb a n d w i d t hh a sb e e ne x t e n d e d e v i d e n t l y k e yw o r d s ： c a rb o r n e ，c o n i c a l s p i r a la n t e n n a ，q u a d r i f i l l a r h e l i xa n t e n n a ，m e a n d e rl i n e ， m i n i m i z a t i o n i i 南京航空航天人学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 天线基本参量2 1 3 本课题的主要工作和内容安排6 第二章圆锥对数螺旋天线8 2 1 平面螺旋天线8 2 2 圆锥对数螺旋天线9 2 2 1 圆锥对数螺旋天线基本结构9 2 2 2 圆锥对数螺旋天线的辐射特性1 1 2 3 馈电1 4 2 4 本章小结1 6 第三章圆锥对数螺旋天线的研制和优化：1 6 3 1 双臂圆锥对数螺旋天线设计1 6 3 2 双臂圆锥对数螺旋天线的小型化2 2 3 3 圆锥对数螺旋天线的加工和测试2 9 3 3 1 方向图测量3 0 3 3 2 微波频段增益测量3 0 3 3 3 圆锥对数螺旋天线测试结果及分析3 2 3 4 本章小结3 3 第网章印刷网臂螺旋天线3 5 4 1 四臂螺旋天线结构和理论分析3 5 4 2 馈电方式3 8 4 3 多频四臂螺旋天线的设计3 9 4 3 1 发射天线设计4 1 4 3 2 接收天线设计4 3 4 3 3 联合仿真4 6 4 4 馈电网络5 2 4 5 本章小结5 4 第五章曲折臂实现小型化5 5 i i i 北斗卫星导航系统车载天线研究 5 1 曲折臂四臂螺旋天线 5 2 新型曲折臂技术 5 3m p q 姒天线的仿真 5 4 本章小结6 1 第六章总结与展望6 2 6 1 总结6 2 6 2 展望6 2 参考文献6 4 6 7 发表的论文6 8 0 l查室堕窒堕垂盔堂堡主兰垡笙壅 图、表清单 图1 1 波的极化状态6 图2 1 等角螺旋曲线8 图2 2 阿基米德螺旋天线8 图2 3 四臂等角螺旋天线9 图2 4 网臂阿基米德螺旋天线9 图2 5 对数螺旋曲线1 0 图2 6 对数圆锥螺旋天线参数1 1 图2 7 圆锥对数螺旋天线典型方向图1 2 图2 8 渐变线示意图1 5 图2 9 指数渐变微带巴伦结构示意图1 6 图3 1 岛和届参数示意图1 8 图3 2 圆锥螺旋天线在h f s s 中：的模型：1 8 图3 3 圆锥对数螺旋天线回波损耗1 9 图3 4 圆锥对数螺旋天线阻抗响应特性曲线1 9 图3 5 中心频率下圆锥对数螺旋天线的方向图2 0 图3 6 微带巴伦阻抗响应曲线2 0 图3 7 巴伦和天线连接示意图2 1 图3 8 圆锥对数螺旋天线和巴伦连接后的仿真模型2 l 图3 9 圆锥对数螺旋天线和巴伦连接后仿真得到的回波损耗曲线2 l 图3 1 0 圆锥对数螺旋天线和巴伦连接后仿真得到的方向图2 2 图3 1 1 圆锥对数螺旋天线和巴伦连接后仿真得到的轴比曲线2 3 图3 1 2 天线底部加负载示意图。2 4 图3 1 3 将圆锥对数螺旋等效为传输线示意图。2 4 图3 1 4 圆锥对数螺旋天线优化流程图2 5 图3 1 5 优化后的圆锥对数螺旋天线尺寸。2 5 图3 1 6 小型化后得到的圆锥对数螺旋天线回波损耗曲线。2 6 图3 1 7 小型化后的圆锥对数螺旋天线的方向图2 6 图3 1 8 小型化和未小型化之前的圆锥对数螺旋天线方向图对比2 7 图3 1 9 适用于北斗接收频段的贴片天线2 7 v 北斗卫星导航系统车载天线研究 图3 2 0 贴片天线回波损耗曲线。2 8 图3 2 1 ( a ) 贴片天线方向图( p h i = o 。和p h i = 9 0 。) 2 8 图3 2 1 ( b ) 贴片天线和小型化后的圆锥对数螺旋天线归一化方向图对比2 9 图3 2 2 制作完成的圆锥对数螺旋天线2 9 图3 2 3 旋转天线法测量装置示意图3 0 图3 2 4 最佳角锥喇叭示意图一3 2 图3 2 5 比较法增益测试示意图。3 2 图3 2 6 ( a ) 2 4 8 6 7 5 m h z 时e 面方向图3 3 图3 2 6 ( b ) 2 4 8 6 7 5 m h z 时h 面方向图3 3 图3 2 7 ( a ) 2 4 9 1 7 5 m h z 时e 面方向图3 3 图3 2 7 ( b ) 2 4 9 1 7 5 m h z 时h 面方向图3 3 图3 2 8 ( a ) 2 4 9 6 7 5 m h z 时e 面方向图3 4 图3 2 8 ( b ) 2 4 9 6 7 5 m h z 时h 面方向图3 4 图4 1 四臂螺旋天线的天线的结构和馈电示意图。3 6 图4 2 四臂螺旋天线的分析模型j 3 7 图4 3 四臂螺旋天线的典型方向图3 8 图4 4 四臂螺旋天线3 d b 定向耦合器馈电示意图3 8 图4 5 共形微带型移相馈电电路3 9 图4 6 底面馈电的微带型移相馈电网络3 9 图4 7 双频四臂螺旋天线的几种结构4 0 图4 8 四臂螺旋发射天线仿真模型4 l 图4 9 四臂螺旋发射天线的回波损耗4 2 图4 1 0 ( a ) 四臂螺旋天线左旋三维方向图4 2 图4 1 0 ( b ) 四臂螺旋天线右旋三维方向图4 2 图4 1 0 ( c ) 四臂螺旋发射天线归一化方向图4 3 图4 1 l 四臂螺旋发射天线轴比4 3 图4 1 2 四臂螺旋接收天线仿真模型。4 4 图4 1 3 四臂螺旋接收天线回波损耗4 4 图4 1 4 ( a ) 四臂螺旋接收天线三维方向图4 5 图4 1 4 ( b ) 四臂螺旋接收天线三维方向图4 5 图4 1 4 ( c ) 四臂螺旋接收天线归一化方向图4 5 图4 1 5 四臂螺旋接收天线轴比。4 6 图4 1 6 双频四臂螺旋天线仿真模型4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 7 双频四臂螺旋天线馈电结构示意图4 7 图4 1 8 双频四臂螺旋天线回波损耗4 8 图4 1 9 ( a ) 1 6 1 6 m h z 天线归一化方向图。4 8 图4 1 9 ( b ) 2 4 9 1 7 5 m h z 天线归一化方向图4 9 图4 2 0 手持机用北斗卫星导航系统贴片天线仿真模型。4 9 图4 2 1 手持机用北斗卫星导航系统贴片天线回波损耗曲线5 0 图4 2 2 四臂螺旋天线和贴片天线归一化方向图比较5 0 图4 2 3 ( a ) 双频四臂螺旋天线发射天线轴比5 1 图4 2 3 ( b ) 双频阴臂螺旋天线接收天线轴比5 1 图4 2 4 双频四臂螺旋天线馈电网络示意图5 2 图4 2 5 双频四臂螺旋天线馈电网络在a d s 中的s c h e m a t i c 模型。5 2 图4 2 6 双频网臂螺旋天线馈电网络在a d s 中的版图5 3 图4 2 7 双频四臂螺旋天线馈电网络传输参数( 幅度) 。5 3 图4 2 8 双频四臂螺旋天线馈电网络传输参数( 相位) 。5 4 ： 图5 1d a n i e lk c c h e w 提出的曲折臂p l j 臂螺旋天线结构5 5 图5 2 本文提出的新型曲折臂四臂螺旋天线结构5 6 图5 3 新型曲折臂四臂螺旋天线仿真模型5 5 图5 4 曲折臂四臂螺旋天线3 d b 轴比波束宽度5 8 图5 5m p q h a 和p q h a 回波损耗曲线5 8 图5 6m p q h a 和p q h a 天线的轴比曲线。5 9 图5 7 曲折臂四臂螺旋天线的阻抗响应特性曲线6 0 图5 8m p q h a 和p q h a 天线方向图。6 0 表2 1 双臂圆锥对数螺旋天线平均半功率波束宽度1 3 表2 2 双臂圆锥对数螺旋天线辐射区高端半径1 3 表2 3 双臂圆锥对数螺旋天线辐射区底端半径1 4 表3 1 圆锥对数螺旋天线增益3 3 表4 1 某车载天线性能指标要求4 0 l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 2 0 0 0 年1 0 月3 1 日、1 2 月2 0 日和2 0 0 3 年5 月2 5 日，我国使用c z 3 a 火箭分别成地发射 了北斗一号卫星导航系统的第一、二、三颗卫星，组成了一个完整的区域性卫星导航定位系统， 2 0 0 4 年北斗卫星导航系统正式投入运营。三颗卫星分别定位于赤道上空3 6 0 0 0 千米的地球同步 轨道，坐标分别为( 东经8 0 度，o 度) 、( 东经1 4 0 度，0 度) 和( 东经1 1 0 5 度，0 度) ，其中一 号、二号为工作卫星，三号为备用卫星【。 北斗卫星导航定位系统是全天候、全天时提供卫星导航定位的区域导航系统，系统采用3 球交会测星原理进行定位，北斗卫星导航系统地投入使用标志着我成为继美国、苏联之后第三 个拥有卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。 迄今为止，北斗卫星导航系统已为用户提供定位服务超过亿次，通信服务超过千万条，在 森林防火、水利防汛、交通运输、检测调度、抢险救灾、环境数据监测等民用、军用领域产生 了显著的社会效益。在2 0 0 8 年的四川汶川地震中，北斗成为此次救灾的关键性设备，地震当天 晚上2 2 时，在通信全部中断的情况下，首批进入地震重灾区的武警官兵通过北斗卫星导航系统 为灾区发出了生命救急电波。地震次日，一支携带了北斗终端机的部队沿着马尔康、黑水、理 县到汶川的国道线一路急进，进入汶川境内，路途中他们把侦测到的灾情准确的发给救灾指挥 部，北斗导航定位系统再次架起了救灾现场和后方指挥部之间的救急连线。 但是作为我国自行研制的、具有鲜明应用特点的卫星导航系统，北斗的实际应用并不理想， 首先是系统应用不充分，与世界上第三个投入实际使用的卫星导航定位系统的地位不相符。北 斗系统的工作容量为百万户级别，但目前现有注册在线的终端用户不足千分之一，卫星资源闲 置浪费严重。而且用户终端价格偏高，在市场上无法与g p s 系统形成竞争。影响、制约北斗卫 星导航系统使用的原因有很多，其中主要的是北斗系统采用有源定位方式，进行定位和通信时， 用户需要向卫星发送带有高程信息和测距码的回应信号，然后2 颗卫星将此信号下变频放大后 转发给地面中心站，地面中一t l 站将收到的信息发到地面网管中心进行解算，解算后的信号再经 过卫星传递到用户机上。研制性能优异而且价格合理的北斗卫星导航系统成为推进北斗大范围 使用的当务之急。 北斗卫星导航系统的功能分为两类，一类为授时，即向用户提供高精度的时间信号，授时 分为单向和双向，进行单向授时时，用户机接收到卫星发射的含有时间码等信息的询问信号后 可以解调处里面的时间信息并跟本地时钟进行对比j 计算出差值，然后调整本地时钟。进行单 北斗卫星导航系统车载天线研究 向授时时用户机只需要一套接收机，这套接收机只需配备一个能够接收s 波段右旋圆极化信号 的接收天线；第二类为导航和通信，北斗系统的导航和通信全部采用双向形式，为此进行导航 和通信时，用户机必须有一套收发机，整个系统必须能够有s 波段右旋原计划信号接收天线和 l 波段左旋圆极化信号发射天线。 和g p s 等国外的已经成熟的卫星导航系统相比，北斗的卫星轨道轨道比较特殊，而且在轨 卫星数目比较少，这就对作为北斗终端尤其是车载平台的接收和发射天线提出了比较高的要求。 对于采用贴片天线的手持机而言，天线的最大增益方向一般出现在天项方向，虽然低仰角性能 很差，但只需将天线的最大增益方向对准卫星，就能确保系统能够接收到卫星信号。但对于车 载天线而言，天线为固定安装，而且一般都是垂直于车项安装，如果仍然采用这种贴片天线的 话，天线的最大增益方向只能对准天顶，而贴片天线低仰角性能比较差，当车辆机动到纬度较 高地区时，卫星的位置就会出现在靠近地平线位置，如果仍然采用贴片天线，这将严重影响天 线接收卫星信号的能力2 1 。 本文研究的课题就足研制取代贴片天线、适用于车载北斗卫星导航系统的接收、发射天线， 同时在满足系统电性能的指标下，尽可能的压缩天线的尺寸，以降低天线的剖面。 1 2 天线基本参量 1 、驻波比，回波损耗 天线的输入阻抗是天线馈电端输入电压与输入电流的比值( 是频率的函数) 。天线与馈线的 连接，最佳的情形是天线的输入阻抗是纯电阻而且等于馈线的特征阻抗，这时馈线终端没有功 率反射，也就是没有驻波，从功率源来的功率完全被输送给天线，这时天线的输入阻抗随频率 的变化应该比较平缓。天线的匹配工作就是消除天线输入阻抗中的电抗分量，并使其电阻分量 尽可能接近馈线的特征阻抗。一般使用驻波比和反射系数来衡量匹配的优劣。在大多数天线系 统中，馈线的特征阻抗为5 0 欧姆。在馈线( 或传输线) 确定的情况下，天线与馈线的匹配状况 由天线的阻抗特性来确定。 当天线负载与馈线特性阻抗不相等时，馈线上存在入射波和反射波，这表示馈线上的功率 没有完全被负载吸收，这时入射波和反射波形成周期性变化的行波和驻波。在实际工作中，用 来衡量这种状态的参数是电压驻波比( v s w r ) ，电压或者电流驻波比p 定义为沿馈线电压或者 电流的最大值与最小值之比，即： 尸= 剀= 矧 m ， 实用公式为： 2 ( 1 2 ) p = 1 ，此 当i r | - - 1 时， p = 0 0 ，表示功率全部被天线负载反射回来。这样用驻波比来衡量负载不匹配时反射波的大小 是非常合理和直观的。在实际应用中，一般用v s w r 来表示驻波比。 除了驻波比这个常用的参数之外，回波损耗( r e t u r nl o s s ) 也是一个非常重要的量，它是 反射系数模的1 1 1 i 的倒数并且以分贝值来表示，它的值在o d b 到无穷大之间，定义为： r l = - 2 0 l g i f l ( r i b ) ( 1 3 ) 当天线负载和馈线完全匹配时，回波损耗为无穷小。 2 、方向性和方向性系数 除了理想点源天线之外的所有其它天线在空间的辐射都具有方向性。对于固定的r 值，：电 场e 是秒和伊的函数，一般将场强与口和妒的函数关系定义为方向性系数，用f ( o ，矽) 表示。 为了描述距离天线等距离的球面上天线在空间各个方向上的辐射强度( 或者辐射能量) 的分布 情况，可以采用曲线图来表示，这种曲线称为天线的方向性图，或者称波瓣图。在距离天线中 心等距离的球面上，描述场强与方向之间关系的图形，称为场强方向图。描述能量与方向之间 关系的图形，称为功率方向性图。在通常的讨论中多用场强方向图。通常只研究两个相互垂直 的主平面内的方向图。如用俯仰面和方位面两个平面内的方向图来描述，也可以用e 面和日面 这两个平面来描述，e 面是指与电场矢量平行的平面，日面是指与磁场矢量平行的平面。 由于方向图只能表示同一天线在各个不同方向上辐射能量的相对大小，为了定量地比较不 同天线的方向性，采用了天线方向性系数( d i r e e t i v i t y ) 。习惯上选用无方向性天线( 即理想点 源天线) 作为比较标准，无方向性天线的立体方向图是一个球面，它的方向性系数定为l 。天 线在某一方向上的方向性系数是指在相同辐射功率相同距离的情况下，天线在该方向上的辐射 功率通量密度与无方向性天线在该方向的辐射功率通量密度之比。 理想点源天线在某一方向上的功率密度，可以用实际天线的辐射功率通量密度在各个方向 上的平均值计算，即： cf 2 d = ( ) 吃吒= ( 寺) 悬吻 ( 1 4 ) u 甜上一聃 上式中s 为天线在( 秒，缈) 方向上的功率通量密度，瓯为天线的平均功率通量密度，是为 3 北斗卫星导航系统车载天线研究 天线的辐射功率，是。为无方向性天线的辐射功率，e 为天线在( p ，伊) 方向的电场强度，瓦为 天线各方向上电场强度的平均值。 方向性函数的另一种定义是：在最大辐射方向的同一接受点上，电场强度相同的条件下无 方向性天线的辐射功率比有方向性天线的辐射功率大多少倍，即： d = ( 三卫) 接受点电场强度相同( 1 - 5 ) d & x m 日目口f hl h j 方向性系数一般用妇来表示，定义为： d ( d b ) = 1 0l g ( d ) ( 1 - 6 ) 3 、天线的效率 由于天线系统总存在一些损耗，所以实际辐射到空问的功率要比发射机发送到天线的功率 要小一些。这里有一个概念需要特别注意：如果天线不能和输送功率的馈线完全匹配，则发射 机输送到天线的功率不能完全被天线吸收，所以，这里有三个功率定义：输入功率只( i i l p u t p o w e r ) ，表示发射机输出功率；接受功率( a c c 印t e dp o w e r ) ，表示进入天线的功率。如果完 全匹配，则输入功率等于接收功率；否则会由于反射，导致接收功率小于输入功率。辐射功率只 ( r a d i a t i o np o w e r ) 是天线辐射到空间的功率。 天线效率定义为辐射功率与接收功率之比，即： 刁= 号= 彘( 1 - 7 ，栌芎2 虿肓 其中只为进入天线的功率因为天线有损耗而消耗掉的功率。 若定义输入电阻r 、辐射电阻b 、损耗电阻弓，且有只= 丢厶2 兄，e = 圭厶2 尽，弓= 圭l 2 局， 则效率，7 可改写为： r 栌页赢( 1 - 8 ) 由上式可见，要提高天线的效率，必须尽可能提高天线的辐射电阻，降低天线的损耗电阻。 4 、天线的增益 方向性系数说明天线在辐射功率相同的条件下方向性系数为d 的天线和无方向性天线相 比较，等效于辐射功率提高了d 倍。天线效率则说明了天线在能量转换方面的效率。当两者联 系起来时，可以用增益来表示。这里假定无方向性天线的效率为1 。 增益：在接受功率相同的条件下，天线在最大辐射方向上某点的功率通量密度与无方向性 天线在同一距离处的功率通量密度之比，即： 仕( 矿( 苦k m 9 ， 4 南京航空航天大学硕士学位论文 只。为无方向性天线的接收功率。 增益的第二种定义为：在最大辐射方向的同一接收点，电场强度相同的条件下，无方向性 天线接收功率比有方向性天线接收功率大多少倍，即： p g = ( 詈) 接受点电场皴相同 ( 1 - 1 0 ) 4 由此可得： g = r d ( 1 1 1 ) 5 、天线的极化 当电磁波在空间传播时，假设传播方向是z 方向，电场可能在工、y 、z 方向都有分量，当 电场只在某个方向存在时，我们称电磁波在这个方向上极化，即无线电波的极化指电场分量和 传播方向两者之问的关系，它表示在最大辐射方向上电场矢量的取向。当电场强度方向垂直于 地面时，此电磁波就称为垂直极化波( v e r t i c a lp o l a r i z a t i o n ) ；当电场强度方向平行于地面时，此 电磁波就称为水平极化波( h o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o n ) 。 电磁波传播时随时间变化，可以根据瞬时电场矢量的端点随时间变化的图形来区分极化的 类型。如果电场矢量端点的轨迹是一直线，则场的极化称为线极化( l i n e a rp o l a r i z a t i o n ) ；若电场 矢量端点的轨迹是一个圆，称为圆极化( c i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ) 。当沿波的传播方向观察时，矢量 逆时针旋转为左旋圆极化( l e f t - h a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ，l h c p ) ，此时电场矢量的指向和波的传 播方向符合左手关系；反之为右旋圆极化( g i 曲t - h a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n ，r h c p ) 。一般情况下 电场矢量端点的轨迹为椭圆，称为椭圆极化( e l l i p t i c a lp o l a r i z a t i o n ) 。椭圆极化仍然有右旋和左旋 之分。圆极化和线极化都是椭圆极化的特例。线极化、圆极化、椭圆极化三种情况下瞬时电场 矢量的端点随时间变化的情况如图1 1 所示。 y j l ji e - - l x 鼍 j i 厂淤一 l x y jl 弋 厂扁! l ( a ) 垂直极化 ( c ) 右旋圆极化( e ) 右旋椭圆极化 x 5 北斗卫星导航系统车载天线研究 1，1 ， jij l e厂 辩一厂忒一 | | l ( b ) 水平极化( d ) 左旋圆极化 ( 0 左旋椭圆极化 图1 1 波的极化状态 椭圆极化天线的轴比( a x i a lr a t i o ) 定义为极化椭圆的长轴与短轴之比。因此，轴比的取值 范围为1s l a r l o o 。当轴比为1 时，为圆极化；当轴比为无穷大时，为线极化；轴比为其他 值时，为椭圆极化。 在某些应用中，对天线的极化纯度有较高的要求。一般用交叉极化x 来衡量，定义为给定 方向上( 一般为主极化最大值方f 司a z ) ，天线极化的主极化分量与交叉极化分量的功率密度之比， 对于线极化天线，x 就等于其主极化与交叉极化的场强比的平方，即 小群 m ( 1 - 1 3 ) 和交叉 析和设 公式和 锥对数 线和普 对数螺 验结果 导航定 南京航空航天人学硕士学位论文 位的特点，研制了收发双用的双频圆柱四臂螺旋天线以及馈电网络，给出了四臂螺旋天线和贴 片天线的性能对比，最后采用曲折臂技术对四壁螺旋天线进行了小型化。全文内容安排如下： 第一章是绪论。介绍了选题的背景和研究的意义，指出了本文的主要工作内容。 第二章为圆锥对数螺旋天线的理论分析。介绍了该型天线的相关概念、理论，详细阐述了 本文所研究的圆锥对数螺旋天线的结构参数设计方法和工作原理。 第三章为圆锥对数螺旋天线的设计和研制。设计了带指数渐变微带巴伦馈电的圆锥对数螺 旋天线以及小型化后的圆锥对数螺旋天线，经过了大量仿真计算、优化设计后，将小型化圆锥 对数螺旋天线和原先的圆锥对数螺旋天线以及普通的贴片天线进行了对比。制作了圆锥对数螺 旋天线实物并进行实验测量，对实验结果进行了分析。 第四章为四臂螺旋天线的研究。对四臂螺旋天线进行了相关的介绍和分析，设计了一种适 合于北斗卫星导航系统收发双用的层叠式四臂螺旋天线及馈电网络，给出了四臂螺旋天线的各 种仿真结果和馈电网络的仿真结果。最后将四臂螺旋天线和贴片天线进行了对比，给出了对比 结果。 第五章采用新颖的曲折臂技术对四臂螺旋天线进行小型化，给出了小型化的方法并且进行 了理论分析，给出了设计原则和仿真结果，并对小型化后的天线和原先的天线进行了对比。 第六章为结束语。对全文的工作进行了总结，指出了不足和下一步研究方向。 7 北斗卫星导航系统车载天线研究 2 1 平面螺旋天线 第二章圆锥对数螺旋天线 对数螺旋天线是一种非频变天线( f r e q u e n c yi n d e p e n d e n ta n t e n n