（电磁场与微波技术专业论文）卫星导航系统接收机天线小型化研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 摘要 卫星导航系统接收机广泛应用于导航、测量和授时等领域。卫星导航系 统接收机由天线单元和接收单元两部分组成。本文主要针对卫星导航系统天 线单元进行研究。卫星导航系统接收机天线完成卫星信号的接收，它必须满 足特殊的技术要求。本文采用了附加简并模的微带贴片天线和改进的谐振式 四臂螺旋天线两种方案对接收机天线进行了设计，完成了天线系统的理论分 析、设计和试验测试工作。 课题的目的是在较小的体积限制内设计出满足卫星导航系统接收机天线 性能要求的圆极化、宽波束天线。根据课题指标，我们提出了微带天线和谐 振式四臂螺旋天线两种设计方案。为了满足接收天线的三频工作特性，采用 了多层贴片结构的微带天线，并采用展宽介质板的方法提高了微带天线在低 仰角时的增益。另外，在普通四臂螺旋天线的基础上提出了一种新型的多臂 螺旋结构，实现了多频工作。 本文首先对卫星导航系统接收机天线的研究现状和发展趋势进行了综 述，接着对圆极化微带天线辐射原理作了简要介绍，系统的阐述了微带天线 实现小型化、多频化的方法。分析了满足设计要求的天线可行性结构，然后 给出了收发天线的形式及设计原则，确定了具体的参数，并进行数值仿真以 求最优化，从而得到了辐射性能良 好的微带天线。天线采用 5 0 。同轴线直 接馈电，不需要匹配网络。 对于采用四臂螺旋结构的天线，文中先对四臂螺旋的发展作了简要介 绍，然后分析了谐振式四臂螺旋天线的辐射特性和作为卫星导航系统天线的 优点。详细介绍了谐振式四臂螺旋天线实现多频工作的方法，并在其基础上 提出了一种新型的多臂螺旋结构，然后根据四臂螺旋天线的设计原则确定了 收发天线的具体参数，并进行数值仿真以得到最优化的结果。对四臂螺旋天 线的馈电网络进行了分析和设计，天线和馈电网络总体积满足指标要求。 最后，根据设计参数制作出了实验样品，进行了实验测试并获得了实验 数据。参数满足或接近指标要求，证实天线的理论分析与测试结果相吻合， 天线设计是合理的。 关健词圆极化;小型化;多频;微带天线;四臂螺旋天线 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s n s ( s a t e l l i t e n a v i g a t i o n s y s t e m ) r e c e i v e r i s w i d e l y u s e d i n m a n y f i e l d s s u c h a s n a v i g a t i o n , m e a s u r e m e n t a n d t i m i n g . t h e s n s r e c e i v e r i s c o m p o s e d o f t h e a n t e n n a u n i t a n d t h e r e c e i v i n g u n i t . t h e r e s e a r c h o f t h i s p a p e r i s b a s e d o n t h e a n t e n n a u n it . t h e a n t e n n a u n i t ， w h i c h r e c e i v e s t h e s a t e l l i t e s i g n a l s m u s t m e e t s o m e s p e c i a l r e q u i r e m e n t s . mi c r o s t r i p p a t c h a n t e n n a w i t h d e g e n e r a t e m o d e s a n d i m p r o v e d r e s o n a n t q u a d r i fi l a r h e l i x a n t e n n a ( q h a ) a r e b o t h e m p l o y e d f o r t h e r e c e i v e r a n t e n n a d e s i g n s i n t h i s p a p e r . t h e a n t e n n a s y s t e m i s a n a l y z e d i n t h e o r y , d e s i g n e d a n d m e a s u r e d . t h e p u r p o s e o f t h e d e s i g n i s t o g e t a c i r c u l a r p o l a r i z e d , w i d e n b e a m a n t e n n a w i t h m i n i a t u r i z e d c o n s t r u c t i o n w h i c h m e e t s a l l r e q u i r e m e n t s o f t h e s n s r e c e i v e r . a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n t a r g e t , t w o p r o p o s a l s i n c l u d i n g m i c r o s t r i p p a t c h a n t e n n a a n d q u a d r i f i l a r h e l i x a n t e n n a a r e p u t f o r w a r d . mu l t i - l a y e r p a t c h i s a p p l i e d t o a c h i e v i n g t r i p l e - f r e q u e n c y o p e r a t i o n o f t h e r e c e i v i n g a n t e n n a . e x t e n d i n g t h e s u b s t r a t e i n c r e a s e s t h e g a i n o f t h e m i c r o s t r i p p a t c h a n t e n n a a t l o w a l t i t u d e a n g l e . i n a d d i t i o n , a n o v e l m u l t i - a r m h e l i x b a s e d o n t h e q h a i s i n v e n t e d a n d t r i p l e - f r e q u e n c y o p e r a t i o n a l s o b e o b t a i n e d . t h e s t u d y s t a t u s a n d t r e n d i n d e v e l o p m e n t o f t h e s n s r e c e i v e r a n t e n n a i s s u m m a r i z e d f i r s t l y . t h e n , a b r i e f i n t r o d u c t i o n i s g i v e n o n t h e r a d i a t i n g p r i n c i p l e s o f t h e c i r c u l a r p o l a r i z e d m i c r o s t r i p a n t e n n a . a l l k i n d s o f m e t h o d s a r e a n a l y z e d a n d d i s c u s s e d s y s t e m a t i c a l l y f o r m i n i a t u r i z a t i o n a n d m u l t i - f r e q u e n c y o p e r a t i o n . b a s e d o n t h e t h e o r y o f c i r c u l a r p o l a r i z e d m i c r o s t r i p a n t e n n a , a f e a s i b l e s t r u c t u r e o f t h e a n t e n n a i s a n a l y z e d . a f t e r t h a t , t h e g e n e r a l s t r u c t u r e s a n d d e s i g n p r i n c i p l e s o f t r a n s mi t - r e c e i v e a n t e n n a s a r e d e s c r i b e d . t h e m i c r o s t r i p a n t e n n a s a r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d b a s e d o n n u m e r i c a l m e t h o d a n d o p t i m a l r e s u l t s a r e a c h i e v e d a n t e n n a s a r e f e e d b y 5 0 o h m c o a x i a l c a b l e a n d f e e d n e t w o r k s a r e u n n e c e s s a r y . f o r a n o t h e r d e s i g n p r o p o s a l , a b r i e f i n t r o d u c t i o n i s p r e s e n t e d a b o u t t h e d e v e l o p i n g p r o c e s s o f t h e q h a a t f i r s t . t h e n , t h e r a d i a t i n g p r i n c i p l e s o f t h e q h a a r e a n a l y z e d a n d i t s a d v a n t a g e s u s i n g a s t h e s n s a n t e n n a a r e a l s o d i s c u s s e d . t h e w a y s a b o u t m u l t i - f r e q u e n c y o p e r a t i o n a r e d e t a i l e d l y i n t r o d u c e d . a n o v e l m u l t i - a r m h e l i x a n t e n n a i s p r e s e n t e d b a s e d o n t h e q h a . t h e p a r a m e t e r s o f t h e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a n t e n n a s a r e o b t a i n e d i n t e r m o f t h e d e s i g n p r i n c i p l e s o f t h e q h a . t h e t r a n s mi t - r e c e i v e a n t e n n a s a r e s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d b a s e d o n n u m e r i c a l m e t h o d a n d o p t i m a l r e s u l t s a r e o b t a i n e d . f i n a l l y , t h e f e e d n e t w o r k s a r e s t u d i e d a n d d e s i g n e d , a n d t h e t o t a l v o l u m e o f a n t e n n a s y s t e m m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s u l t i m a t e l y , t h e e x p e r i m e n t a l s a m p l e s a r e m a n u f a c t u r e a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p a r a m e t e r s . t h e e x p e r i m e n t s a m p l e s a r e t e s t e d a n d m e a s u r e d d a t a i s o b t a i n e d . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s m e e t t h e p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s a n d t h e me a s u r e d d a t a a g r e e w i t h t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s v e r i f y t h e d e s i g n o f t h e a n t e n n a . k e y w o r d s c i r c u l a r p o l a r i z e d ; m i n i a t u r i z a t i o n ; m u l t i - f r e q u e n c y ; m i c r o s t r i p a n t e n n a ; q u a d r i f i l a r h e l i x a n t e n n a ( q h a ) i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1 章 绪论 1 . 1 课题背景及意义 2 0 0 3 年5 月2 5日 零时3 4 分，我国从西昌卫星发射中心用“ 长征三号甲” 运 载火箭成功发射的第三颗“ 北斗一号” 导航定位卫星，在西安测控中心的精确控 制下，于6月3日成功定点，顺利进入地球静止轨道预设位置。这是我国航天 战线取得的一次具有非同寻常意义的成果，第三颗“ 北斗一号” 卫星的发射成 功，标志着我国北斗卫星导航定位系统建成。 此次发射的“ 北斗一号” 是颗备份星，它与前两颗工作星组成了中国完整的 卫星导航定位系统( 前两颗“ 北斗一号” 分别于2 0 0 0 年 1 0 月3 1 日 和 1 2 月2 1 日 发射升空) 。 “ 北斗一号” 双星导航定位系统是我国第一代卫星导航定位系统，是 我国独立自 主开发、研制和建立的可以提供全天候、高精度、大范围、快速实 时定位的区域性卫星导航定位系统。目 前系统工作稳定，状态良 好。 卫星导航定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统。美国于 1 9 6 0 年4 月发射了世界第一颗 “ 子午仪”导航卫星，1 9 6 4 年建成第一代卫星导航定 位系统。1 9 7 8年以后又建立了第二代 “ 导航星”系统 ( g p s ) 。该系统的空间 段由1 8 至2 4 颗分布于6 个轨道面的卫星组成。各地用户随时可见4 颗以上的 卫星，只要捕获星上的识别码、位置信息和时间信息，就可以计算出自己的位 置，其定位时间短、精度高，星上还配有精确的原子钟，可以定时和测速。 随着卫星导航系统的应用越来越广泛， 世界主要航天大国和国家集团不惜 巨资发展全球卫星导航系统。早在2 0世纪7 0年代，美国与前苏联即着手开发 卫星导航定位计划。美国全球卫星定位系统即g p s 系统自1 9 7 3 年起步，1 9 7 8 年首次发射卫星，1 9 9 4 年完成2 4 颗中高度圆轨道卫星组网，前后历时2 1 年， 共耗资 1 2 0 亿美元。俄罗斯于 1 9 9 5 年建成了由2 4 颗卫星组成的全球导航卫星 系统 g l o n a s s 。一些国家和组织正商讨建设国际惯例运行体制的民间全球导 航卫星系统 g n s s 。欧洲 1 9 9 9年初正式推出伽利略导航卫星系统计划，伽利 略系统独立于 g p s 频段分开，但将与 g p s系统兼容和相互操作，包括时间 基准和测地坐标系统、信号结构以及两者的联合使用。日本和印度也在积极开 发卫星导航定位系统(cu 卫星导航的基本作用是向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 置、速度和时间信息。卫星导航定位技术目 前已基本取代了无线电导航、天文 测量、传统大地测量技术，并推动了全新的导航定位技术的发展，成为人类活 动中普遍采用的导航定位技术， 而且在精度、实时性、全天候等方面对这一领 域产生了革命性的影响。 我国自 主研制的“ 北斗” 卫星导航定位系统是全天候、全日时提供卫星导航 定位信息的区域导航系统，所以用户随时都可以接收到卫星广播的询问信号， 服务范围以大陆地区为主。其定位原理系采用 3球交会测星原理进行定位，以 2颗卫星为球心，2球心至用户的距离为半径可画出 2个球面，另一个球面是 以地心为球心，画出以用户所在位置点至地心的距离为半径的球面，3个球面 的交会点即为用户的位置。 “ 北斗” 卫星导航定位系统是由太空的导航通信卫星、地面控制中心和客户 端三部分组成? : 1 . 2 枚地球同 步轨道卫星， 执行地面控制中心与客户端的双向无线电信号的中 继任务; 2 .控制中心包括民用网管中心，主要负责无线电信号的发送接收，及整个系 统的监控管理，其中，民用网管中心负责系统内民用用户的标记、识别和 运行管理; 3 .客户端是直接由用户使用的设备，即用户接收机，主要用于接收地面控制 中心经卫星转发的测距信号。接收机硬件一般由主机、天线和电源组成 接收机结构如图1 - 1 所示3 。 图1 - 1 接收 机结 构 框图 3 f i g . 1 - 1 c o n s t r u c ti o n d i a g r a m o f r e c e i v e r 天线系统是卫星导航系统中必不可少的一部分， 也是至关重要的一部分，它 在很大程度上决定着卫星导航系统的性能。天线单元的作用，是将卫星传来的 无线电信号的电磁波能量变换成接收机电子器件可摄取应用的电流。天线的大 小和形状十分重要，因为这些特征决定了天线能获取微弱的导 航信号的能力。 根据需要，天线可设计成可以工作在单一频率 卜 ，也可以工作在两个频率甚或 哈尔滨工业大学工学硕十学位论文 三个频率上。 一般情况下对卫星导航接收机天线有如下要求9 1 .幅度方向图和增益在可看到卫星的差不多整个上半球，天线应该提 供均匀的响应。当卫星低于所规定俯仰角时天线停止接收，为的是避免出现严 重的多径效应和对流层效应，所以对天线的覆盖范围加以限制。 2 .相位方向图在利用直接相位测量的相对定位系统中，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，这种误差是精确的 陆上测量所不能接受的。 在覆盖区域内， 理论上讲， 天线不仗应提供振幅的均 匀响应，而且还应提供相应的均匀响应。 在天线覆盖区域内对均匀相位响应的 要求至关重要，对于相位跟踪接收机则更为重要。 3 .频率和极化目 前已有的卫星导航系统工作频率各不相同，我国的第 一代 “ 北斗”卫星导航系统工作于上行l频段( 频率 1 6 1 0 1 6 2 6 .5 mh z ) ，下行 s频段 ( 频率 2 4 8 3 .5 - v 2 5 0 0 m h z ) 。美国的 g p s卫星发射频率一般是 4 ( 1 5 7 5 .4 2 m h z ) 和l z ( 1 2 2 7 .6 m h z ) 两 个频 率， 均为 右 旋圆 极化 无线电 波 5,6 简 单 情况 下， 既 可以 在乌 端 也 可以 在人 端使 用gps 接收 机。 然 而， 在 更为 精 确 的定位情况下，通常使用双频或多频来补偿电离层传播造成的延时，在这种情 况下要求天线在各个频率上都具有良 好的工作性能。 一般来说，在设计卫星导航系统接收天线时，应考虑如下要求: 天线应呈 全圆极化 ( 右旋圆极化) ，在天顶处不产生死角，以便接收来自天空任意方向 的卫星信号;天线应与前置放大器密封为一体，使其在恶劣的环境下也能正常 工作，目 减小信号损耗;应采取适当的防护和屏蔽措施，尽可能减弱信号的多 径效应，防止信号的干扰;天线的相位中心与其几何中心的偏差应尽可能小， 并保持稳定。在卫星导航定位系统中，无论是测码伪距，还是观测值都以接收 机天线的相位中心位置为准，天线的相位中心和其几何中心在理论上应保持一 致。 随着卫星导航系统的广泛应用，对导航系统接收天线特别是微带天线和螺 旋天线的研究层出不穷。由于卫星导航信号是圆极化波，所以 所有的接收天线 都是圆极化工作方式。尽管有多种多样的条件限制，仍然有许多不同的天线类 型存在，如单极的、双极的、螺旋的、四臂螺旋的，以及微带天线。在可用于 卫星导航系统的各种天线中，微带天线和谐振式四臂螺旋天线因具有简易性、 小型、价格低廉以及令人满意的电气指标而被广泛使用。 微带天线是五十年代提出、八十年代趋于成熟的天线的一个分支。由于微 带天线具有体积小、可共形、便于获得圆极化等优点，因此将微带天线用于卫 星导航系统一直为人们所关注7 。随着无线通信技术的发展和无线应用产品的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 普及，特别是近几年随着手持设备的普及和多频通信技术的发展，人们对微带 天线提出了更高的要求，在宽带化、多频化、小型化等方面进行了广泛和深入 的研究8 。 谐振式四臂螺旋天线由g e r s t 发明， 该天线可以 获得性能优良 的圆 极化半球波束，并具有结构紧凑、不需要参考地、环境适应性强等优点，很好 的满足了卫星导航系统接收天线的性能要求。改变天线参数，可使这种天线获 得不同的辐射方向图。所以，有很多卫星导航系统接收机厂家使用不同尺寸和 构造的螺旋天线。但由于其特殊的结构，四臂螺旋天线多工作于单频，当采用 双频工作模式时，其性能有所降低。 随着卫星导航系统的快速发展，对接收机天线的电气性能要求越来越高。 不只要求天线单频工作时具有良好的增益和圆极化特性，还要求天线在双频甚 至三频工作时具有优良的电气性能和小型化的体积。本课题的目的在于对卫星 导航系统接收机天线进行研究，在理论研究的基础上进行天线单元的加工制 作，并开展实验研究工作。 通过本课题的研究工作进一步提高卫星导航系统接 收机天线的性能，达到小型化和多频化的目的。 1 . 2 国内外在该领域的研究现状 1 .2 . 1 微带天线 由于微带天线自身的优缺点，近年来人们在广泛应用它的同时，为了扬 长避短提高微带天线的各种电气性能，如增益、圆极化、多频工作等，对微带 天线进行了许多改进和创新，微带天线小型化、多频化主要采用的有下面几种 方法: t . 加载短路探针 这种方法是通过与馈点接近的短路探针在谐振腔中引入 祸合电容以实现小型化。天线的谐振频率主要取决于短路探针的粗细和位置， 天线尺寸可缩减 5 0 % 以上。文献 9 中在矩形微带贴片天线上加载了三根短路探 针， 在天线小型化的基础上实现了三频工作。 2 . 在贴片表面开不同形式的槽或细缝 这种方法切断原先的表面电流路径 使电流绕槽边曲折流过而路径变长， 在天线等效电路中相当于引入了级联电 感。由于槽很窄， 它可模拟为在贴片中插入一无限薄的横向磁壁。选择适当的 槽从而控制贴片表面电流以激励相位差 9 0度的极化简并模， 还可形成圆极化辐 射， 以及实现双频工作。文献仁 1 0 中分别在矩形贴片和三角形贴片上加载不同 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 形状的缝隙，实现了双频工作。文献 1 1 在三角贴片边缘加载了一对细缝，得 到了工作于g ms 频段的小型化双频天线。 3 . 采用多层介质基片 微带天线的结构采用多层介质基片，将馈电网络与 天线贴片分别置于不同的介质基片上。这种类型的微带天线普遍采用的是电磁 祸合的馈电方式，也可以利用口 径祸合实现，也就是在天线贴片与馈电网络之 间加一带有缝隙的接地板，微带线通过此口 径对贴片馈电6 7 。 采用多层介质基 片实现多频化比较容易，可以通过调节各层贴片形状、大小等达到多频点工作 和不同的极化特性 ，2 。 这类天线的厚度要比 加载销钉或者缝隙的单片天线厚一 些，其总体尺寸也比较小，长度一般是几十毫米。 4 . 采用特殊材料基片 从天线谐振频率关系式可知， 谐振频率与介质参数成 反比， 因此采用高介电常数 如陶瓷材料) 或高磁导率( 如磁性材料) 的基片可降 低谐振频率， 从而减小天线尺寸。这类高介电常数天线的主要缺陷是: 激励出较 强的表面波， 表面损耗较大， 使增益减小， 效率降低;带宽窄。为提高增益， 常在 天线表面覆盖介质。 5 . 采用特殊形式 近年来，由于无线通信的发展需求，为了实现天线的多 频化、小型化，出 现了许多特殊形状的微带贴片天线。 例如蝶形、 倒 f 形、 三 角形、 l形、 e形、y 形、 双c 形、 层叠短路贴片等 13 7 。 总的思路是使贴片的 等效长度大于其物理长度， 以实现小型化的目 的。 另外微带分形天线也是一种实现多频工作的方法，这种天线一般采用 s i e t p i n s h i 毯分形， 它在不同的 频率上有着惊人的 相 似性能。 但是这种天线在 频率较低时尺寸较大，且当频率比接近于 1时实现可能性比较低。目 前关于 s i e r p i n s h i 毯分 形 天线的 性能已 有大 量文 献14. 157 。 文 献 1 6 中 将分形的 概 念 应 用 于方形多贴片天线结构，实现了多频工作。不过采用这种结构天线的整体结构 较大，特别是工作频率接近时实现起来比较困难。 国内外现有的技术主要也是基于上列几种，或者各种性能指标的兼顾而采 用儿种技术的结合。对于基片采用高温超导材料以 及光子带隙材料的情况，尚 有待进一步的研究，目 前还没有具体在天线小型化技术方面应用的报道。 卫星导航系统接收天线一般要求辐射圆极化波，而普通的微带天线辐射线 极化波，为了获得圆极化特性，必须对微带天线的结构或馈电网络进行改进。 微带天线要获得圆极化波的关键是激励起两个极化方向正交、幅度相等、相位 差9 0 度的线极化波。当前用微带天线实现圆极化辐射主要有一下几种方法: ( 劝正交馈电的单片圆极化微带天线; ( 2 ) 一点馈电的单片圆极化微带天线; 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 曲线微带构成的宽带圆极化微带天线; ( 4 ) 微带天线阵构成的圆极化微带天线 17 1 正交馈电的圆极化微带天线是最早提出的一种结构形式。这种天线构成天 线阵元时，馈电电路之间会引起不希望的祸合，因而限制了它的实际应用。现 在实际应用较多的是后 3种圆极化微带天线。曲线微带天线构成的宽频带圆极 化微带天线不采用开放式的谐振腔，不但有较强的辐射，而且有较低的 q值， 是一种比较理想的宽频带圆极化微带天线。微带天线阵构成的圆极化微带天线 在实际中也以获得广泛应用，这种天线具有高增益、高功率、低旁瓣、波束扫 描或波束控制等优点。但是，它需要很复杂的功分器组合电路形成圆极化馈 电 ， 不 易 实 现 u se 1 . 2 . 2四臂螺旋天线 螺旋天线也是目前卫星导航系统和 g p s系统中应用比较广泛的一种天 线，己有的研究报道中多采用谐振式四臂螺旋天线。该天线可以获得性能优良 的圆极化半球波束，并具有结构紧凑、不需要参考地、环境适应性强等优点。 四臂螺旋天线的馈电方式可采用折叠式非平衡一平衡馈电方式和a / 4 开槽 的同轴馈电方式。对于卫星导航系统来说，天线尺寸要求较高，一般多采用紧 凑的a . / 4 开槽的同轴馈电方式。相对于微带天线来说天线的馈电系统较为复 杂。目 前的 g p s和卫星导航系统不仅仅需要天线在单频工作时具有良 好的电 气性能，通常情况要求天线工作于双频甚至是三频。四臂螺旋天线由于其自 身 的结构特点，实现多频工作比较困难。对于一般的单臂螺旋天线可以采用增加 或者减小螺距角的方法展宽频带 明 。而谐振式四臂螺旋天线由 于其频带窄，故 不能采用调节螺距角的方法实现双频或多频工作。文献 2 0 - 2 1 中对双频螺旋 天线进行了分析和报道，目前谐振式四臂螺旋天线实现双频工作的方法主要是 采用将分别工作于不同频率的两副结构类似的天线以封闭的方式或者级联方式 共轴安装使两者组合为一个整体结构2 。但是这种两种实现双频工作都各有缺 点， 封闭 式螺 旋设 计中l , ( 1 5 7 5 .4 2 m h z ) 和乓( 1 2 2 7 .6 m h z ) 的 性能 都 不如 单螺 旋 的性能好，试验证明内外天线的增益分别降低了 1 .5 d b和 3 .5 d b ，且后瓣电平 都比两副天线单独工作时有所提高。而采用级联结构时上下天线的性能差别很 大， 特别 是在 俯 仰角 低于 4 5 度时，人 幅 度 和 相 位响 应的 劣 化 很明 显， 这种 情 况下，来自l ， 天线的辐射激励 l r 单元并产生一个相当大的后瓣。文献 2 2 中 提出了另一种实现双频工作的方法，即在螺臂上适当位置添加 一 个 l c申路， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 天线的长度根据较低频率选择，较高频率则由 l c电路谐振达到。上述方法实 现多频工作， 各个参数性能较单频天线都有所降低，特别是封闭式和级联式对 天线的增益和方向图影响较大。故若要采用上述方法实现三频工作，天线的性 能有可能会更进一步降低，实现起来比较困难。 1 . 3技术指标 本课题主要根据下列技术指标设计出卫星导航系统用户机多频工作小型化 天线: 1 . 发射天线 a信号频率:l 1 : 1 6 1 5 .6 8士4 mh z ; b . 极化方式:右旋圆极化: c . 接收方向图: 仰角2 5 9 0 度， 方位。 -3 6 0 度( g - : o d b i ) ; d . 轴比: a r - 6 0 8 5 a r 蕊3 0 6 5 e 驻波比:v s wr 2 ; f 体 积: s - 0 .0 0 0 0 4 m . 2 . 接收天线 a . 信号频率: b1 : 1 5 6 1 .0 9 8 mhz , b 2 : 1 2 0 7 . 1 4 mhz , b 3 : 1 2 6 8 . 5 2 mhz ; b . 极化方式:右旋圆极化: c . 接收方向图: 仰角5 9 0 度，方位。- 3 6 0 度( g - - 1 d b i ) ; d . 轴r 匕 : a r 6 0 2 0 d b g .体积: s - 0 .0 0 0 0 4 m . 1 . 4 课题研究的内容 本课题的目的就是在查阅国内外相关文献资料的基础上，选择可以满足指 标要求的卫星导航系统接收天线进行深入研究，提出可行的设计方案。采用数 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 值分析方法，进行实际的天线设计，并通过试验结果来验证研究结论，优化天 线性能。根据课题技术指标要求，本课题研究的主要内容包括如下几部分: ( t )微带天线理论分析 对卫星导航系统常用的微带天线形式进行系统的 分析和比较，选择附加简并模分离单元的矩形微带天线作为发射天线和接收天 线的基本结构。在对传统微带天线的辐射机理进行分析的基础上，深入阐述附 加简并模分离单元的圆极化微带天线的工作原理和辐射特性。综合分析微带天 线实现小型化技术的方法。 ( 2 )微带天线的设计与仿真 根据圆极化微带天线小型化、多频化的基本 理论，在满足设计指标要求的前提下，选择合理的天线形式和介电常数，设计 出满足尺寸要求的发射天线。对指标要求的增益特性， 采用微带天线与介质天 线相结合的方式适当展宽介质板宽度，达到提高天线低仰角增益特性的目的。 采用单点祸合馈电的多层微带结构实现接收天线三频工作。应用电磁仿真软件 包进行天线仿真，根据仿真结果修改天线的各项相关参数，最终达到仿真结果 与设计指标吻合的目的。 ( 3 )螺旋天线及其馈电网络的分析与设计 深入分析谐振式四臂螺旋天线 的辐射机理，并在此基础上提出了一种新的多臂螺旋天线以实现接收天线三频 工作。采用终端开路的四臂螺旋天线作为发射天线。应用软件包进行天线仿 真，根据仿真结果优化各项参数，达到最优的仿真结果。 对谐振式四臂螺旋天 线的馈电网络进行了设计，采用阻抗变化和相移相结合的方式达到天线小型化 的目的。 ( 4 )进行天线制作和测试 根据根据微带结构收发天线仿真参数修订天线 结构参数，提出可行的制作方案，加工制作天线。进行天线各项性能指标的测 量，检验试验结果与理论分析和仿真结果的吻合程度。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章 微带天线理论分析 2 . 1 概述 2 . 1 . 1引言 综合国内 外相关资料，并根据本课题研究的卫星导航系统接收机天线技术 指标，本文拟采用微带天线和谐振式四臂螺旋天线两种方案实现天线的设计。 对卫星导航系统来说，天线要求满足特定的设计要求。在覆盖区域内，天线要 求有均匀的幅度相应，且要求在低仰角时获得较高的增益和良好的圆极化特 j性。微带天线由于自身的特点，目前已成为卫星导航系统中最为常用的一种天 线形式。本课题要求实现天线圆极化、小型化和多频化，因此需要在普通圆极 化微带天线的基础上改进，以提高天线的电气性能。本章首先对矩形微带天线 进行理论分析，接着给出圆极化微带天线的实现方法。重点沦述了矩形圆极化 微带贴片天线实现圆极化的工作原理和辐射特性。并在此基础上综合分析目 前 国内外实现天线小型化的各种方法，为选择适合本课题的设计方案提供必须的 理论基础。 2 . 1 .2 矩形微带贴片单元的辐射场 微带天线的 辐射情况可以 用图2 - 1 所示的 简单结构来说明2 a 。 这是一个矩 形微带贴片天线，与地板相距几分之一波长。 假定电场沿微带结构的宽度与厚 度方向没有变化，则辐射器的电场结构如2 - 1 右图所示口电场仅沿约为半波长 下w主 辫 - 3 1 - a l 二h 图2 - 1矩形微带天线的 辐射场 f i g 2 - 1 e l e c t r i c f i e l d p a tt e rns o f a r e c t a n g u la r m i c r o s t r ip a n t e n n a 哈尔滨工业大学工学硕上学位论文 的贴片长度方向变化，辐射基本上是由贴片开路边缘场引起的。在两端的场相 对地板可以分解为法向分量和切向分量，因为贴片长为半波长，所以由法向分 量产生的远区场在正面方向上互相抵消。平行于地板的切向分量相同，因此合 成场增强，从而使垂直于结构表面方向上的辐射场最强。所以，贴片可以表示 为相距a / 2 ，同 相激励并向 地板以上半空间辐射的两个缝隙。 矩形贴片辐射器的特性可由辐射方向图、输入阻抗、增益、带宽、波瓣宽 度、效率、损耗和q因数来表征。因此虽然分析方法很多，但是就设计成本和 性能推算而论，有一个最佳的方法，即可用简单的表示式推算天线参数并与实 验得到的结果一致。天线的分析方法主要有矢量位法、并矢格林函数法、导线 网 模型法、辐射孔径法、腔体模型、模式展开法和传输线模型法等等。前六种 模型在预测微带辐射器性能方面都仅是部分成功的，并且要求大量的计算。 m u n s o n 和d e rn e r y d d 01 的 传输 线 模型 可 得到 适 合 大多 数工 程 应用的 结 果， 并 且 需要的计算量不大。它是将微带天线视为加宽了的终端开路的微带线。这种分 析方法物理概念清晰，计算简单，可以给出有用的工程设计数据，同时可以比 较准确的预计它的辐射特性。图 2 - 2示出传输线法的物理模型。传输线法的基 本假设是:( 1 )微带片和接地板构成一段微带传输线，传输准 t e m 波，波的 传 输 方 向 决 定 于 馈电 点 。 线 段 长 度l 二 凡 / 2 , 凡为 准t e m波 的 波 长 场 在 传 输方向 是驻波分布，而在其垂直方向 ( 图中的宽度方向)是常数。( 2 )传输线 的两个开口端 ( 始端和末端)等效为两个辐射缝，长为w，宽为h ，辐射缝口 径场即为传输线开口端场强。缝平面看作位于微带片两端的延伸面上，即是将 开口面向上折转9 0 0 ，而开口场强随之折转。 主缝 介质 基片 图2 - 2微带天线传输线分析法物理模型洲 f i g .2 - 2 t r a n s m i s s i o n l i n e m o d e l o f m i c r o s t ri p a n t e n n a s 哈尔滨s业大学工学硕士学位论文 根据以上两条基本假设，微带辐射器的单元可以看作一个场没有横向变化 的传输线谐振器，场只沿长度方向变化，通常长度是半个波长， 辐射主要由开 路端的边缘产生。辐射器可表示成在x - y 平面内，间距为l的两个缝隙。每个 缝隙的 辐射场同 有磁流m的磁偶极子的 辐射场一样。 m= y 2 e=y 2 v o l h ( 2 - 1 ) 式中 2 因数，由于接地板的作用，相当于有二倍磁流向上半空间辐射; v o 缝隙 两 端的 电 压 在整 个 缝宽 上，v o 不随x 变 化; h 介质板厚度 对于单个缝隙，距离原点为r 处的远区场为: 凡= - j 2 v o w k o e b = 0 ( 2 - 2 ) 式中f ( 0 , 0 ) 二s in ( z h sin 0 co s o ) 警 sin b co s o k ., w s i n( -c os 口) 2 业c o s b 2 - s i n o 矩形微带贴片天线的辐射效应可以 等效为间距为l的两个缝隙的作用，因 矩形微带天线的辐射场只需在单缝隙天线的表示式中乘以二元阵的阵因 即为 此子 _ _ ， k h 6 1 1 1= 2 k (,w c o s b )s i n b c o s 必 )s i n ( f ( b , 砂 ) = kh . _ 一s t n口c o s p 2 ku w c o s 0 2 k . 1 . -cos( 寸s in f/ c o s o ) -s i n d (2 - 3 ) 2 . 2 微带天线圆极化技术 2 .2 . 1 圆极化微带天线的实现方法 目前卫星导航系统接收机采用的均为右旋圆极化天线，本课题设计指标也 要求天线在各个工作频率上具有良 好的右旋圆极化特性。圆极化天线的实用意 义主要体现在以下几点: 1圆极化天线可以接收任意极化的来波，且其辐射波也可以被任意极化的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 天线收到，故电子侦察和干扰中普遍采用圆极化天线; 2 . 在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线 的旋向正交性; 3 . 圆极化波入射到对称目 标 ( 如平面、球面等)时旋向逆转，因此圆极化 天线应用于移动通信、卫星导航等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。 微带天线辐射圆极化波的关键是产生两个极化方向正交、幅度相等、相位 相差9 0 的线极化波2 5 1 。尽管圆极化天线形式各异，但产生机理万变不离其 宗。反映在史密斯圆图中，两简并模的恰当分离对应阻抗曲线出现一个尖端 ( c u s p ) 。目 前微带天线实 现圆 极化辐射的 方法大致分为三类【2 6 ) ， 见表 2 - 1 所 示。对圆极化微带天线性能的理论分析，除基于空腔模型的传统方法外，矩量 法 mo m) 和时域有限差分法 ( f d t d )两种数值方法成为主流。快速多极子 算法和遗传算法、神经网络的引入加速了天线的优化。 基于本课题对天线的小型化、多频化要求，我们采用结构相对简单的单点 馈电圆极化微带天线圈。 表2 - 1微带天线圆极化方法 t a b l e t - 1 t h e m e t h o d s o f c i r c u l a r p o l a r i z e d f o r m i c ros t r i p a n t e n n a s 类型 产 生 机 理一实 现 形 式 设 计 关 键 i优 点一缺点 单馈法 基 于空腔模 型理 论，利用简并模分 离单元产生两个辐 射正交极化的简并 模工作 弓 入 几 何 微 扰 。 方 案 多 样 ， 适 于 各 种 形状贴片 确定儿何微扰 的 大 小 和位 置，以及恰当 的馈点 无需外加的移相 网络和功率分配 器，结构简单、 成本低，适合小 型化 带宽窄， 极化性能 较差 多馈法 多个馈点馈电的微 带天线，由馈电网 络保证圆极化工作 可 采 用 t 形 分 支 或 者 3 d b 电 桥 等 馈 电 网络 馈线网络的精 心设计 可提高 v s w r带 宽及圆极化带 宽，抑制交叉极 化，提高轴比 馈 电网络 较复杂， 成本高、 尺寸较大 多元法 使用多个线极化的 辐射元，原理与多 馈点法相似，只是 将每个馈点都分别 对一个线极化辐射 元馈电 由 并 馈 或 者 串 馈 方 式 的各 种 多元组 合 ， 可 看 作天线阵 单元大线位置 的合理安排 具备多馈法的优 点，而馈电网络 较为简化，增益 高 结 构 复 杂，成本 较高，尺 寸人 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 .2 .2 单馈点圆极化微带天线 单馈点法无需