一種新式寬頻帶寬波束圓極化微帶導(dǎo)航終端天線設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　衛(wèi)星導(dǎo)航近年得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，從而帶動(dòng)了導(dǎo)航終端天線的迅速發(fā)展。目前得到廣泛應(yīng)用的是GPS(Global Position System)系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)，正在建設(shè)中的Galileo系統(tǒng)也是一個(gè)全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。這些全球定位系統(tǒng)的頻段各不相同，比如GPS的頻帶為1575.42±2.046MHz，1227.60±2.046MHz;Galileo的頻帶為 1164~1215MHz，1260~1300MHz和1559~1592MHz。雖然這些導(dǎo)航系統(tǒng)所采用的頻率不盡相同，但頻率范圍都在1164~1600MHz之間，只要能設(shè)計(jì)一種寬頻帶天線覆蓋這個(gè)頻帶，則該天線具有良好的通用性和兼容性，可以應(yīng)用于不同的導(dǎo)航系統(tǒng)。

　　由于需要接收多顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)才可以進(jìn)行導(dǎo)航和定位的結(jié)算，所以終端天線需要具有寬波束;同時(shí)由于導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射右旋圓極化的導(dǎo)航信號(hào)，要求導(dǎo)航終端天線具有良好的右旋圓極化特性。用于導(dǎo)航終端的天線有諸多文獻(xiàn)報(bào)道，但基本上都是針對(duì)GPS系統(tǒng)，天線形式多為單頻、雙頻、三頻的微帶天線;有的是不具備低剖面特點(diǎn)的四臂螺旋天線;這些天線的缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)寬頻段，不能完全覆蓋所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的頻段，對(duì)于不同系統(tǒng)的導(dǎo)航的接收系統(tǒng)不具備兼容性。

　　本文提出一種微帶天線，它采用L型探針饋電來(lái)展寬天線頻帶，采用四點(diǎn)饋電技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化，采用天線罩和天線一體化設(shè)計(jì)來(lái)保證天線具有良好的環(huán)境特性和機(jī)械特性。測(cè)試結(jié)果表明該天線的阻抗帶寬達(dá)到44.3%，能夠覆蓋現(xiàn)有主要導(dǎo)航系統(tǒng)的所有工作頻段，且具有良好的寬波束特性和圓極化特性，能夠用于機(jī)載、星載和地面等場(chǎng)合。

　　2 天線結(jié)構(gòu)

　　天線在HFSS中建立的模型如圖1所示，金屬輻射貼片直徑D為56mm，厚度為1mm;天線地板為方形，邊長(zhǎng)L為80mm;天線支撐介質(zhì)為方形，邊長(zhǎng)L為80mm，支撐介質(zhì)的厚度H為19mm，該介質(zhì)的節(jié)電常數(shù)為3.15;天線和天線罩一體化設(shè)計(jì)，天線罩和天線支撐介質(zhì)為相同的介質(zhì)材料，輻射貼片嵌入該介質(zhì)中，天線罩的厚度H1為3mm;L型饋電探針的饋電點(diǎn)距天線幾何中心的距離F為32mm，L型探針的高度H2為12mm，長(zhǎng)度L1為17.4mm。

　　圖1 天線結(jié)構(gòu)

　　3 天線測(cè)試結(jié)果

　　天線實(shí)物和饋電網(wǎng)絡(luò)照片如圖2所示。天線回波損耗測(cè)試采用了Agilent 8362B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，可以看出回波損耗小于-10dB的頻率范圍為1.16GHz到1.82GHz，阻抗帶寬為44.3%，覆蓋了幾種主流全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的所有頻段，具有良好的兼容性和通用性。

　　天線方向圖和增益在微波暗室中進(jìn)行測(cè)試。天線在1.227GHz所測(cè)得的E面方向圖如圖4所示，可以看出天線的最大增益為4.0dBi，3dB波束寬度為72°，天線在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分別為1.04 dBi、-0.79 dBi、-3.72 dBi、-6.51 dBi。天線在1.575GHz所測(cè)得的E面方向圖如圖5所示，可以看出天線的最大增益為4.87dBi，3dB波束寬度為83°，天線在±30°、±50°、±70°、±80°的增益分別為3.7 dBi、-0.01 dBi、-3.68 dBi、-5.11 dBi。

　　天線軸比方向圖也在微波暗室中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試采用旋轉(zhuǎn)線源法，即將發(fā)射線極化脊喇叭天線按照一定的速度(一般是被測(cè)天線轉(zhuǎn)速的20倍)旋轉(zhuǎn)，待測(cè)天線接收到信號(hào)上下包絡(luò)的差值即為天線的軸比。天線在1.227GHz所測(cè)得的E面軸比方向圖如圖6所示，可以看出，在±10°角域AR<3dB，在±60°角域AR<6dB。天線在1.575GHz所測(cè)得的E面軸比方向圖如圖7所示，可以看出，在±50°角域AR<3dB。

　　(a) (b)

　　圖2 (a)天線照片 (b) 饋電網(wǎng)絡(luò)照片　　

　　圖3 實(shí)測(cè)駐波比

　　圖4 1.227GHz主平面實(shí)測(cè)方向圖

　　圖5 1.575GHz主平面實(shí)測(cè)方向圖

　　圖6 1.227GHz主平面實(shí)測(cè)軸比方向圖

　　圖7 1.575GHz主平面實(shí)測(cè)軸比方向圖

　　4 結(jié)論

　　本文提出了一種新穎的圓極化、寬頻帶、寬波束微帶天線，天線實(shí)測(cè)阻抗帶寬達(dá)到44.3%。由于采用了純機(jī)械加工的實(shí)現(xiàn)方法，天線具有良好的機(jī)械特性，能夠滿足苛刻的振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)要求;能夠滿足溫度變化對(duì)天線電性能影響的要求，而傳統(tǒng)采用印制工藝的微帶天線在溫度劇變的條件下覆銅金屬會(huì)剝落，天線會(huì)被損毀。該天線采用能夠滿足航空或者航天要求的介質(zhì)支撐材料，可以廣泛應(yīng)用與機(jī)載和星載等衛(wèi)星導(dǎo)航終端等場(chǎng)合。