（电子科学与技术专业论文）全球定位系统中的小型介质加载四臂螺旋天线.pdf

浙江大学硕士学位论文 镀覆铜膜、刻蚀螺旋臂、安装馈电结构及频率和相位微调。对所制成的样品天线 进行了测试，实测谐振频率为1 5 7 6 6 2 m h z ，1 0 d b 带宽为5 m h z ，谐振点的回波 损耗达到1 7 5 d b ；实测3 d b 波束宽度为1 2 0 。，天顶增益为3 d b i ；实测输入阻 抗为6 8 6 7 1 6 2 4 jq 。对测量结果和理论数据进行了比较和分析，天线基本达到 设计要求，性能参数和结构尺寸满足小型化g p s 接收机应用需要。 由于该天线的图形为立体结构，图形的制作十分困难，本研究创造性的采用 了激光刻蚀技术解决了螺旋臂；b n - r - 和性能微调的难题，这为产业化生产这种天线 提供了一种新的工艺途径。另外，据目前文献检索：该天线尺寸最小，并保持良 好接收特性的优点，有望在g p s 系统中得到应用，下一步产业化工作已经在有关 企业开展中。 关键词：四臂螺旋天线介质加载微波陶瓷激光刻蚀宽波束g p s 2 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e ds a t a l l i t e n a v i g a t i o na n dp o s i t i o n i n gs y s t e m ，w h i c hm a i n l ya p p l i e di nav a r i e t yo ff e l d ss u c ha s n a v i g a t i o n , m a p p i n g ，m o n i t o r i n g ，t i m ed i s t r i b u t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n d s oo n r e c e n t l y , g p st e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e de n o r m o u s l yi nc i v i lu s e ，e s p e c i a l l yi n v e h i c l en a v i g a t i o na n dp e r s o n a lm o b i l et e r m i n a lp o s i t i o n i n g ，w h i c ht w oa r eq u i t e d e m a n d i n go ft h em i n i a t u r i z a t i o no fa n t e n n a so b v i o u s l y a m o n ga l lt h ea n t e n n a s q u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n ai s t h ei d e a lr e c e i v i n ga n t e n n af o rg p so w i n gt ot h e a d v a n t a g e so fc a r d i o i ds h a p e dp a r e m g o o df r o n t t o b a c kr a t i oa n de x c e l l e n tc i r c u l a r p o l a r i z a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w es u m m a r i z et h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hc o n d i t i o n so f q u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n a , a n da n a l y s ei t ss t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s b e s i d e s w ed e s i g na n df a b r i c a t eam i n i a t u r ed i e l e c t r i c a l l y 1 0 a d e d q u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n a t k sk i n do fa n t e n n a , l o a d e db yc e r a m i cd i e l e c t r i c 、析t i l l l i 曲p e r m i t t i v i t y , 谢t hg o o dp e r f o r m a n c ew h i l et h ev o l u m es h r i n k st oo n e - s i x t ho ft h e o r i g i n a lo n e c a nb eu t i l i z e di nm i n i a t u r i z e dg p sa p p l i c a t i o i l sb o t l li nc e l l p h o n ea s w e l la sp d a g p s t h em a i nr e s u l t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 1 1 ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dm i n i a t u r a t i o ns o l u t i o no fq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n aa r e i n v e s t i g a t e d t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fg p sa n di t ss i g n a lc h a r a c t e r i s t i ca r ei n t r o d u c e d a n dt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t so fg p sf o rr e c e i v i n ga n t e n n aa r es u m m a r i z e da s f o l l o w i n g ：t h ea n t e n n ac o u l dp r o v i d eu n i f o r mr e s p o n s eo v e ra p p r o x i m a t e l yt h ee n t i r e u p p e rh e m i s p h e r ea n dh a v et h es t y l eo ff 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 ，、i t l lt h e o p e r a t i o nf r e q u e n c i e so fl5 7 5 4 2m h za n d12 2 7 6m h z w i t hr e g a r d st op r e c i s e l y m e a s u r i n gr e c e i v e r , t h ea n t e n n as h o u l di d e a l l yp r o v i d eu n i f 0 1 i l lr e s p o n s ei nb o t l l a m p l i t u d ea n dp h a s ew i t h i nt h er e g i o no fc o v e r a g e b a s e do nt h i s ，s p e c i a la t t e n t i o n h a sb e e np a i do nt h ec o m p o s i t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c o fq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n a , i n c l u d i n gq u a d r a t u r ep h a s i n ga n db a i a n c e df e e d i n g i n a d d i t i o n 。a n t e n n a sf o rm i n l 。a t u r i z a t i o na n dm u l t i f r e q u e n c ya r ea l s os t u d i e d am i n i a t u r i z e dd i e l e c t r i c 1 0 a d e dq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n ai sd e s i g n e d w i t ht h e s i z eo f 17 8 m m h10 m ma n dh i g hp e r m i t t i v i t y ( r = 3 8 ) d i e l e c t r i ci n f i l l e d w i t h t h i sc o n f i g u r a t i o nt h es t r u c t u r ee m p l o y sb a l a n c e df e e da tt h et o pa n dac h o k es l e e v e b a l u ni nt h el o w e rp o r t i o nt h a tp r o j e c t sa na l m o s tb a l a n c e ds i g n a lf e e d i t a l s o a c h i e v e sq u a d r a t u r ep h a s i n gu s i n gl a s e rt r i m m i n ga tq u a d r i f i l a rh e l i x w ef i n dt h e l e n g t ho fd i e l e c t r i c a l l y l o a d e db a l u na n dq u a d r i f i l a rh e l i xb ys i m u l a t i o ns u i n gh f s s s i m u l a t i o ns o f t w a r e i ti ss h o w e db yr e s e a r c ht h a td i e l e c t r i c a l l yl o a d i n gc a np r o v i d e m o r es h r i n k i n gf o rq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n at h a nb i f i l a rh e l i xa n t e n n aa n dt h e r e s o n a t i n gf r e q u e n c yo ft h ea n t e n n ad e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fw i d t ho ft h ef i l a r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t e n n ah a sag o o dc a r d i o i d s h a p e dp a a e mw i t h a3 d bb e a m w i d t hm o r et h a n12 0d e g r e e s r i g h th a n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o na n dt h e a x i a lr a t i oi sl e s st h a n3 d bw i t h i nm a i n b e a m w i d t h a n dt h ed i s c r i m i n a t i o nb e t w e e n 3 浙江大学硕士学位论文 t h ef i g h ta n dl e f th a n dc i r c u l a r p o l a r i z a t i o n r e a c h e s3 0 d b ，s h o w i n gag o o d p e r f o r m a n c e t h em i n i a t u r i z e dd i e l e c t r i c 1 0 a d e dq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n at h a ti n f i l l e db y m i c r o w a v ec e r a m i cd i e l e c t r i ci sf a b r i c a t e da n di tm e e t sa l lt h ed e s i g n i n gp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s f i v ek e ys t e p si nt h ea n t e n n af a b r i c a t i o na r ef u l l ye x p l o r e d ，i n c l u d i n g t h ec o n s t r u c t i o no fc e r a m i cc o r e ，d e p o s i t i o no fc ut h i nf i l m s ，l a s e rt r i m m i n gh e l i x 。 f e e ds t r u c t u r ea sw e l la sf r e q u e n c ya n dp h a s et r i m m i n g t h ef a b r i c a t e da n t e n n a s a m p l ei st e s t e d ：t h er e s o n a t i n gf r e q u e n c yi s 15 7 6 6 2m h z ：10 d bb a n dw i d t hi s 5 m h z ，：t h er e t u r nl o s si s - 1 7 5 d b ；t h e3 d bb e a m w i d t hi s1 2 0 。：t h ea n t e n n ag a i ni s - 3 d b i ；t h ei n p u ti m p e d a n c ei s6 8 6 7 1 6 2 4 jq c o m p a r i n gt h em e a s u r e dr e s u l t sw i t h t h et h e o r e t i c a ld a t a , w ef o u n dt h a tt h ea n t e n n am e e t sa l lt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa n di t i ss u i t a b l ef o rm i n i a t u r i z a t i o ng p sr e c e i v e ri nb o t ht h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n d s t r u c t u r es i z e t h ef a b r i c a t i o ni sr a t h e rd i 伍c u l td u et ot h es t e r e o s t r u c t u r eo fa n t e n n a i nt h i s s t u d y , w ec r e a t i v e l ye m p l o yt h el a s e rt r i m m i n gt e c h n o l o g yi no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fh e l i xf a b r i c a t i o na n dp e r f o r m a n c et r i m m i n g ，w h i c hp r o v i d e san e w m e t h o di nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h i sa n t e n n a i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt or e f e r e n c e s i n d e x e d ，t h i sk i n do fa n t e n n ah a st h ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z ea n dg o o dr e c e i v i n g p e r f o r m a n c e ；h e n c ei ti so n e o ft h em o s tp r o m i s i n gc o m p o n e n t si nt h eg p s t h en e x t i n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti su n d e r t a k e ni nr e l a t e de n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：q u a d r i f i l a r h e l i x a n t e n n a ，d i e l e c t r i c a l l y - l o a d ，m i c r o w a v e c e r a m i c d i e l e c t r i c ，l a s e rt r i m m i n g ，w i d eb e a m ，g p s 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 自赫兹和马克尼发现了天线以来，天线在社会生活中的重要性与日俱增，如 今随着无线通信技术的蓬勃发展，天线已深入到人类生产、生活的各个方面。 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是当今应用最广泛的卫 星导航定位系统，它是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代导航定位系统。 g p s 系统广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通信等多种领域，在国防和经济 建设中具有极其重要的作用。当今，除g p s 系统外，世界上建成或在建的卫星导 航定位系统还有俄罗斯的g l o n a s s 、欧洲的伽利略及中国的“北斗”等。自g p s 开放于民用以来，在船舶远洋导航、飞机航路引导、大地测绘、变形监测及物品 追踪等领域得到广泛应用。目前，g p s 在民用领域的应用又迎来了新的潮流，主 要以汽车自主导航和个人通讯终端( 如g p s 手机) 这两个领域应用最受人们关注， 具有广阔的市场和发展前景。 在美国，由于美国政府规定手机应具有e 9 1 1 报警功能，即在危险情况下可以 通过手机对人员实现定位，因此g p s 手机使用比较广泛。在中国，据赛迪顾问调 查，2 0 0 7 年手机市场规模超过1 2 亿部，而g p s 手机的占有率仅为0 4 3 4 ，增长 空间巨大。预计，2 0 11 年全球范围内具备定位功能的手机出货量将达到4 4 4 亿部。 另外，随着中国家庭汽车数量的快速增长，用于车辆导航定位的便携式产品也具 有很大的需求。可见，当前g p s 在车辆导航和个人移动终端定位上的应用潜力巨 大、前景广阔。 目前，要将g p s 功能应用在上述便携式产品上，最关键的问题就是天线小型 化问题。g p s 天线通常使用微带天线和四臂螺旋天线，但微带天线低仰角性能较 差，且接地板导致面积较大，不适合小型便携式g p s 接收机使用。而四臂螺旋天 线具有心型方向图、良好的前后比和优良的广角圆极化特性，是理想的g p s 接收 天线，因此研究四臂螺旋天线的小型化意义十分重大。本课题采用高介电常数的 陶瓷介质对天线进行加载，来实现天线小型化。该小型化介质加载四臂螺旋天线 还可以用在卫星手机等通信设备中，具有较高的民用和军用价值。 浙江大学硕士学位论文 1 2 四臂螺旋天线的发展和现状 天线作为实现无线电应用的关键设备，随着通信、广播、雷达、制导及定位 等无线电应用系统的发展而不断发展，形成了庞大的天线家族。1 8 8 6 年德国物理 学家赫兹建立了第一个天线系统，但他的发明只停留在实验室阶段。1 9 0 1 年1 2 月，意大利学者马可尼在赫兹的系统的基础上添加了调谐电路，并配备了大的天 线和接地系统，成功实现了跨大西洋无线通信，开创了无线电技术应用的新纪元。 随着第二次世界大战期间雷达的出现，厘米波得以普及，无线电频谱才得到 更为充分的利用。人们对无线电频谱的利用，离不开天线。天线为飞机和船舶提 供通信联络，天线使人们通过移动电话等无线器材可以实现和地球上任何地点任 何人通话。随着人类对空间领域的不断探索，天线的应用也越来越深邃，如今， 数以千计的通信卫星正负载着天线运行在地球轨道；手持的全球定位卫星接收机 能为任何地面和空间的用户不分昼夜晴雨地提供位置信息；载有天线阵的探测器 在地面系统的指挥下，已经访问了太阳系的行星背后；现有的射电望远镜的天线 工作于毫米到千米的波长，接收来自百亿光年之遥天体的信号。 随着人类活动向太空的扩展，对天线的需求也将史无前例地增长，天线将成 为未来的明星。 昔今对比，天线的功能已从单纯的电磁能量转换器发展成具有一定信号处理 能力的系统；天线的设计己从用机械结构来实现其电气性能发展为机电体化设 计；天线的制造己从常规的机械加工发展成印刷和集成工艺。天线学科与其它学 科的交叉、渗透和融合成为当前发展的特色。 螺旋天线是由俄亥俄州立大学的j o h nd k r a u s 在1 9 4 6 年最先发现的，之后 他对螺旋天线的轴向模圆极化特性进行了初步研究，并与1 9 4 7 年发表了自己的 研究成果 1 。从这时起，人们开始了对螺旋天线的研究。 1 9 6 6 年，c a r lw g e n t 和r o b e r ta w o r d e n 讨论了多绕的螺旋天线，在文献 2 中研究了四绕、六绕和八绕螺旋天线的辐射特性，最后指出，改变天线的参 数，可以使天线具有不同的辐射方向图和极化方式，可以得到较高的增益和较宽 的带宽。 约翰霍普金斯大学应用物理实验室博士c c k i l g u s 于1 9 6 8 年提出了谐振式四 臂螺旋天线的概念 3 ，如图2 一l 所示。之后进行了进一步研究，分别于1 9 6 9 和1 9 7 0 8 浙江大学硕士学位论文 年发表了两篇文章 4 5 ，用环偶极子模型分析了1 2 圈、1 2 波长的谐振式四臂 螺旋天线，得出了谐振式四臂螺旋天线具有半球覆盖的心型方向图和优良的圆极 化特性，分析了缠绕圈数及轴长和半径之比对天线方向图和圆极化的影响。并对 天线阻抗匹配问题及折叠巴伦馈电和缝隙外套巴伦馈电进行了分析。 图2 1k i l g u s 提出谐振型四臂螺旋天线 k i l g u s 于1 9 7 5 年发表的文章 6 中给出了相关的设计图表，适合于选择和 设计多种应用的四臂螺旋天线，有助于实现可用于实际工程应用的幅度辐射方向 图响应。然而，由于缺少天线的相位数据，这些设计参考资料不能直接用于评估 各种天线设计或确定g p s 应用中决定天线性能的设计参数。 1 9 9 0 年，j a m e sm t r a n q u i l l a 和s t e v e nr b e s t 在发表的文献 7 中，使 用矩量法对四臂螺旋天线进行了详细的分析，讨论了天线的相位性能和幅度特 性，同时对双频四臂螺旋天线进行了研究。认为谐振型四臂螺旋天线由于具有尺 寸小和宽波束俯仰方向图覆盖等优点，非常适用于g p s 应用。 早期四臂螺旋天线的辐射单元一般采用金属管或是金属线，通过弯曲成型或 是缠绕在绝缘柱上，这样必然需要在馈电网络中加入复杂的平衡转换器和阻抗匹 配网络，螺旋结构需要机械支撑，因此体积比较大，难于批量生产。p k s h u m a k e r 等在1 9 9 6 年发表的文献 8 中，提出了应用于g p s 接收机的印刷式四臂螺旋天线， 即将螺旋臂印制在柔性基材上，然后将基材卷起放入圆柱形有机玻璃筒中形成天 线。此举降低了天线的重量、尺寸和制作成本，同时天线还具有低轮廓、高维稳 定性好的优点。该天线辐射方向图具有大于1 4 5 。的3 d b 波瓣宽度，性能良好。到 了1 9 9 7 年，a s h a r a i h a 等在文献 9 中阐述了将馈电网络与印刷式四臂螺旋天线相 9 浙江大学硕士学位论文 结合的思路，进一步减小了天线尺寸。 图2 2印刷半波长四臂螺旋天线 2 0 0 1 年o l e i s t e n 提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线 ( d i e l e c t r i c a l l y l o a d e dq u a d r i f i l a rh e l i xa n t e n n a ，d q h a ) 1 0 。该天线 采用相对介电常数r = 3 6 的陶瓷填充，天线体积缩d , n l o x1 7 8 m m ( 底面直径x 高) ，为未加载时体积的1 6 左右。相对于应用于g p s 系统的介质加载微带贴片天 线，d q h a 还具有优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被约束在陶瓷核内， 近场很小，天线受手机、人手等周围物体影响较小，这种特性也使该天线能够和 其他天线安装在较近的位置而不会受到严重干扰。 除采用陶瓷介质外，四臂螺旋天线还有其他几种小型化方法。如曲流法 1 1 1 2 ，该技术将天线臂蜿蜒折叠，天线轴长可减d , 5 0 以上；枝节加载法 1 3 3 ，针对螺旋臂中点电流为零，将该部分螺旋结构变成水平弧线，可使天线轴 长缩减1 5 ；部分折叠法 1 4 ，将螺旋臂顶部一部分向下垂直弯曲，天线轴长可 以缩减2 0 。这些小型化方法将在第三章中详细介绍。 除了小型化外，当前人们对四臂螺旋天线的宽频技术和多频技术研究也比较 热门。传统的四臂螺旋天线可以通过将两个不同谐振频率的天线，采用同轴方式 进行上下堆叠或内外嵌套组合成双频天线 15 ，不过相对于单频天线，双频天线 的性能有所下降，增益分别减少了3 5 d b 和1 5 d b ，且后瓣增大；在文献 1 6 中， 也提出了将四臂螺旋天线的每条臂用三条不同谐振长度的臂代替，实现了三频段 工作。 1 0 篱 一 浙江大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 谐振型四臂螺旋天线为实现心形的圆极化方向图，需要四条臂依次相差9 0 度馈电，当把四臂螺旋天线看成由两个双臂螺旋天线组成时，需要两个双臂螺旋 正交馈电。馈电问题是四臂螺旋天线面临的主要问题。本课题将主要研究介质加 载型四臂螺旋天线的正交、平衡馈电问题和加工制作工艺。 本课题在介绍g p s 天线一般要求和螺旋天线基本理论的基础上，阐述了四臂 螺旋天线的组成和工作原理，研究了该天线的正交、平衡馈电方法和小型化方法； 设计了一种小型介质加载四臂螺旋天线，利用h f s s 仿真软件对其进行了仿真； 同时，研究了该天线的制作方法，并对制作出的天线样品进行了测试。 论文各章节分布及主要内容如下： 第一章：绪论。介绍本课题的背景，发展历程和当前研究状况，并简介论文 主要内容。 第二章：g p s 天线概述。综述了g p s 组成和工作原理，总结了6 p s 天线的性 能要求，并简要介绍了两种主要的6 p s 接收天线，即微带天线和四臂螺旋天线。 第三章：螺旋天线分析及设计方案提出。介绍螺旋天线的基本理论和设计方 法，重点分析了四臂螺旋天线的构成和工作原理，包括正交馈电和平衡馈电等问 题；研究了四臂螺旋天线的小型化、圆极化和多频化方法；为下一章介质加载四 臂螺旋天线设计做准备。 第四章：介质加载四臂螺旋天线设计。根据前述四臂螺旋天线理论和分析， 设计了介质加载型四臂螺旋天线模型，给出了天线尺寸，分析了该天线正交馈电 和平衡馈电方法。利用h f s s 软件，对设计进行了仿真和优化，得到了反射系数、 谐振频率、方向图、轴比等仿真数据。仿真采取先宜后难的步骤进行，即按照先 空气加载后介质加载、先双臂螺旋后四臂螺旋的顺序，依次对四种天线进行了仿 真。仿真过程中，研究了介质加载对双臂螺旋和四臂螺旋天线尺寸的缩减能力， 以及臂宽对四臂螺旋谐振频率的影响。 第五章：介质加载四臂螺旋天线的制作研究。制作步骤包括陶瓷基体的选择、 基体上铜膜的镀覆、天线螺旋臂的刻蚀、馈电结构安装及频率和相位激光微调五 部分。其中，激光刻蚀螺旋臂和激光微调频率和相位是天线制作的重点和难点。 本论文采用了激光打标机和步进电机结合实现三维螺旋臂结构的加工，为该天线 浙江大学硕士学位论文 的制作提供了一种新的工艺。对制作完成的样品天线进行了测试，有关参数基本 达到设计要求。 第六章：总结和展望。对四臂螺旋天线的研制进行了总结，并提出了该天线 在研制过程中存在的问题，及下一步研究方向。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章g p s 天线概述 设计应用于g p s 小型化接收机的介质加载四臂螺旋天线，首先要了解g p s 系统对天线的一般要求。本章在综述g p s 定位原理和信号特征的基础上，对g p s 接收天线的要求进行了总结和探讨，并介绍了两种主要g p s 接收机天线。 2 26 p s 组成和工作原理 g p s 系统主要有三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备 部分。空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4 颗卫星被同 时观测；地面监控部分监测和控制星座的运行，并注入相关数据；用户部分是指 各种应用的接收机，主要有主机、天线、电源和数据处理软件构成。 g p s 卫星设计星座由2 4 颗卫星组成，其中工作星2 1 颗，备用星3 颗，卫星 分布在6 个轨道面上，每个轨道上均匀分布4 颗。卫星轨道面相对地球赤道面的 倾角约为5 5 度，各轨道面升交点的赤径相差6 0 度。轨道平均高度约为2 0 2 0 0 k m ， 卫星运行周期为1 1 时5 8 分。卫星在地平面以上的数目会随着时间和地点的变化 而异，最少为4 颗，最多为1 1 颗。卫星向用户发送导航电文，g p s 接收机同时 接收至少4 颗卫星信号，就能根据接收机到每颗卫星的距离，采用距离交会的方 法计算出接收机的三维位置。 g p s 卫星信号的构成如图2 1 所示 1 7 。每颗卫星发射l 1 和l 2 两个载波频 率，l l 频率为1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 频率为1 2 2 7 6 m h z ，伪随机码和导航电文数据调 制在载波上构成g p s 信号。伪随机测距码有两种，即粗截获码c a 码和精密码p ( y ) 码。c a 码是一种结构公开的明码，供全世界所有的用户免费使用，p ( y ) 码对外保密，结构不公开。目前，c a 码只调制在l 1 载波上，p ( y ) 码同时调 制在l l 和l 2 两个载波上。美国政府对g p s 信号实行双用途服务，一种是标准定 位业务( s p s ) ，专供各类民间使用；一种是精密定位业务( p p s ) ，专供军方和特 许用户使用。 浙江大学硕士学位论文 图2 1g p s 卫星信号的构成 接收机和卫星之间距离测量有两种方法：一种是伪距测量，另一种是载波相 位测量 1 8 。伪距测量是利用测距码得到某一时刻g p s 接收机天线到4 颗以上卫 星的距离，伪距法定位一次定位精度不高( p 码误差为1 0 米，c a 码误差为2 0 3 0 米) ，但其具有定位速度快且无多值性问题等优点，仍然是g p s 定位系统进行 导航的最基本的方法。为提高定位精度，可采用载波相位测量，即把载波作为量 侧信号，由于载波l 1 和l 2 相应波长分别为1 9 0 3 c m 和2 4 4 2 c m ，因此可达到很 高的测量精度( 一般为1 2 m ，相对定位精度可达1 0 _ 8 米) 。利用载波相位测量 时，需要重建载波，一般有两种方法：一种是码相关法；另一种是平方法。 由于g p s 卫星距离地球遥远，信号到达地面时非常微弱，大约为- 1 6 0 d b w 。 g p s 卫星发射天线阵的赋形波束使卫星位于两个仰角上时，即一个是从用户水平 面算起5 。仰角，另一个是在用户的天顶，用户接收信号功率电平最低。在这两 个仰角之间，最低接收信号功率电平逐步增加，对于l l 频率来说最大可增加2 d b ， 对l 2 来说最大可增加l d b ，在仰角4 0 。左右时最大。所以不同仰角的卫星信号 功率电平有所差别。根据交汇法定位原理，在定位精度上，越是低仰角的卫星， 越能提高g p s 定位精度，天顶的卫星虽然信号易于接收，但对提高精度贡献不大。 2 36 p s 接收天线的要求 从上述g p s 工作特性，考虑到接收机工作环境影响，对天线提出了以下要求。 2 3 1方向性 g p s 接收机能够接收到地平面上的卫星数目越多越好，一般要求能够接收仰 角5 。以上的所有天空中的卫星信号。因此，天线在这个空间内要对卫星信号具 1 4 浙江大学硕士学位论文 有均匀的响应，当低于接收高度时，为抑制严重的多路径效应和对流层效应，天 线响应要迅速截止。理想的g p s 接收机天线在上半平面具有近似半球形的方向 图，一般要求波瓣宽度1 2 0 。，水平面附近的截止率大于l d b 度( 从仰角一5 。 到5 。) 1 9 。图2 - 2 为一个商用g p s 接收机天线的方向图。 在利用载波相位测量的系统中，对应于卫星的不同方向的天线输出端的相位 差会造成相当大的位置误差，这种误差是精确测量所不能接受的。因此，在覆盖 区域内，天线不但具有振幅的均匀响应，而且还应具有相位的均匀响应，且相位 中心要和天线几何中心吻合。 对于舰船上使用的g p s 天线，为了保证在舰船摇摆的情况下还能正常接收信 号，天线波束宽度要达至1 1 2 2 0 。以上。 2 3 2 极化形式 熊 一 嬲 l 。r 婚& _ 、 飞夕懈 。 静 一锵 ，r 图2 2g p s 接收机天线的方向图 g p s 信号是由卫星从空间发送下来的，为了消除电离层对信号的法拉第旋转 效应，信号采用的是右旋圆极化，因此，接收天线也应采用右旋圆极化方式。当 g p s 卫星信号被地面或建筑物等对称物体反射后，会变成左旋极化的交叉极化信 号，多路径信号多是这种形式，所以右旋圆极化天线还能够抑制多路径干扰。由 于圆极化天线存在交叉极化现象，所以为了抑制多路径干扰，应设法提高天线的 交叉极化抑制能力。 2 3 3频率特性 g p s 卫星发射频率是l 1 和l 2 两个频率，今后会增加l 5 ( 11 7 6 4 5 m h z ) 民用频 浙江大学硕士学位论文 率。一般情况下，g p s 天线工作在单频，但在精确测量时，通常需工作在双频或 多频来补偿电离层延时，此时要求天线在两个频率上都具有良好的方向性和圆极 化特性。 2 3 4 增益 g p s 天线具有半球形的方向性，因此增益一般都很低。g p s 天线单元一般都由 接收天线和低噪声前置放大器组成，放大器一般能够提供1 5 4 0 d b 的增益，许多 g p s 天线直接采用有源天线设计。 g p s 接收机天线除了具有上述要求外，还应采取适当的防护和屏蔽措施，减 少多路径干扰；综合考虑安装载体对天线辐射模式的影响，努力实现天线小型化， 增强天线顽健性，等等。 2 4 两种主要的6 p s 天线 根据应用不同，g p s 天线有多种类型，主要有单极或偶极天线、微带天线、 单臂螺旋天线、四臂螺旋天线、圆锥螺旋天线、阵列天线等。其中，微带天线多 用于测量型接收机和飞行器上，单臂螺旋和圆锥螺旋多用于卫星通信中。目前， 微带贴片天线和四臂螺旋天线因具有突出优点和令人满意的电气性能而被广泛 使用。 2 4 1 微带贴片天线 微带天线是5 0 年代提出，8 0 年代趋于成熟的一种天线。由于微带天线具有体 积小、可共形、设计灵活、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点，因此被 广泛应用在g p s 接收系统中。通常微带天线是由一块厚度远小于工作波长的介质 基片和两面各覆盖一块辐射金属片构成，如图2 3 所示。其中覆盖基片底部的有 限辐射金属片称为接地板，而基片另一面尺寸和工作波长近似的金属片称为辐射 单元。微带天线一般采用底端同轴馈电，同轴线的内导体穿过基片和贴片连接， 而外导体连接在接地板上。微带天线按辐射元的形状可分为多种类型，g p s 常用 的是矩形和圆形微带天线。 1 6 浙江大学硕士学位论文 zz 图2 3 微带天线示意图 微带贴片天线可看作是，在导体贴片与接地板之间激励的射频电磁场，通过 贴片四周与接地板之间的缝隙而产生的向外辐射。分析微带天线的基本理论大致 可分为三类，即传输线理论、空腔理论和全波理论 2 0 。最早出现的也最简单的 是传输线模型理论，主要用于矩形贴片。该理论将微带天线看成两个正交的、终 端开路的传输线，传输准t e m 波。更严格更有用的是空腔模型理论，可用于各种 规则贴片，该理论将贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、上下为电壁的 谐振空腔，天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根据空腔 内场和馈源边界条件来求得。最严格而计算最复杂的是积分方程法，即全波理论。 从原理上说，全波理论可用于任何微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的 限制。 g p s 微带天线通常采用单点馈电。圆极化方式一般采用切角和偏置馈电来实 现。图2 3 显示了两种不同的单点馈电圆极化方式。g p s 微带天线是宽波束天线， 在天项具有最大增益，水平方向增益为零。该天线的缺点是增益低。图2 4 是一 个商用的g p s 介质贴片天线的方向图 2 1 ，该天线接收频率范围1 5 7 5 4 2 1 0 2 3 m h z ，带宽9 m h z ( r e t u r el o s s 一l o d b ) ，尺寸2 5 2 5 4 5 m m ，增益5 d b i ( 天顶) ，一l d b i ( 1 0 。仰角) ，输入阻抗5 0 q 。 t x ：w f - - o i v 1 4 m 4 c l ，c m w 5 p c m i r _ 州 - - t n 7 - n 珥口h m - 图2 4 一种g p s 介质贴片天线的方向图 1 7 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 四臂螺旋天线 谐振式四臂螺旋天线是c c k i l g u s 在1 9 6 8 年提出的，该天线具有心型的方 向图、良好的前后比及优异的圆极化特性，被认为是最理想的g p s 接收天线，但 天线尺寸较大一直制约着其在g p s 小型接收设备上的应用，采用介质加载后该天 线尺寸显著减小，近年来不断应用在高端g p s 产品中，但由于其较高的价格，目 前没有微带天线应用广泛。 图2 5 是四臂螺旋天线的一般结构，它由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂长度 为入2 。四根螺旋臂馈电端电流相等，相位两两相差9 0 。( 分别为0 。、9 0 。、 1 8 0 。、2 7 0 。) ；非馈电端短路。四臂螺旋天线也可以看作是由两个正交馈电的 双臂螺旋天线组成。四臂螺旋天线最关键的技术就是实现平衡正交馈电。正交馈 电一般采用相移网络和自相移结构来实现。平衡馈电多采用各种巴伦来实现。四 臂螺旋天线馈电点的阻抗较小，一般不超过5 欧，为了和外部5 0 欧阻抗匹配， 馈电结构同时担负阻抗匹配作用。 图2 6 ( a ) 为英国s a r a n t e l 公司生产的小型g p s 介质加载四臂螺旋天线 2 1 。 该天线采用e ，= 4 0 的陶瓷作为介质，同轴电缆馈电结构通过轴心在顶端进行馈 电，底部为一套筒巴伦，实现平衡馈电，同时将电流限制在巴伦边缘，减少周围 物体对天线的影响。图2 - 6 ( b ) 为该天线的方向图。 图2 - 5 四臂螺旋天的构成线 厂 ； 篓挈一， 琏 茹剐兰搽 8 a i u n 缓g 0 撕剐镯盈墨z 矽 b 。d “4 _ 鬻 ( a ) 天线外形( b ) 天线方向图 图2 6 应用于g p s 的介质加载四臂螺旋天线 霞 穆 浙江大学硕士学位论文 2 4 3 微带天线和四臂螺旋天线的比较 根据前面的讨论可以看出，两种天线各有优缺点，详见表2 - 1 。 表2 - 1微带天线和四臂螺旋天线的比较 天线类型优点 缺点 低剖面、形状规则，结构简单，馈电简单、制作容易， 带宽较窄；有参考地，面积较大：波 微带天线 成本低；易于实现圆极化：有介质加载、短路加载、表面开束不够宽，天顶增益最大，水平方向无增 槽、特殊形式( 分形、蝶形等) 等多种小型化方法益，天线接收角度受限：增益较低 具有心型方向图，波瓣宽度高达2 2 0 。，水平方向还有增 带宽较窄：结构复杂，正交平衡馈电 益，天线接收角度随意，低仰角的圆极化特性优良：无参考 复杂；对加工精度要求高，制作不易，成 四臂螺旋天线地，近场极小，受周围物体影响小；圆柱形，体积较小；有 本高：增益较低；不适合应用于多路径干 介质加载、枝节加载曲流顶部折叠