低剖面卫星导航天线关键技术探析

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摘要：北斗系统是我国具有完全自主知识产权的卫星定位系统。相比较北斗二号系统，北斗三号系统在定位精度具有更大的优势，高精度卫星导航系统的终端天线是高稳定相位中心天线。此外，北斗三号机载产品由于其应用场景多在高空中，高精度天线拥有较高的低仰角增益，从而更好地接收低仰角卫星信号。合理选择天线单元结构和尺寸、天线口径和材质，可以平衡天线各个性能指标，选择合适的馈电点数目以满足天线增益和相位中心稳定度指标，改变金属底版形状，增加金属围框等技术可以提高天线低仰角增益。本文将以提高高精度天线相位中心稳定度和低仰角增益为重点进行深入研究。

关键词：多频段；低剖面；导航；相位中心；低仰角增益

0引言

北斗三号在原来北斗二号基础上增加了卫星搜救功能和全球位置报告功能，定位精度和授时精度都有了较大提升。一方面，高精度卫星导航系统的终端天线是高精度相位中心天线，其相位中心的稳定性（PCV）会显著影响系统的定位精度和工作性能；另一方面，卫星信号非常微弱，加之机载卫星导航产品特定的使用环境，对天线低仰角增益要求较高，故本文重点研究的北斗三号卫星导航天线关键技术为相位中心稳定度和改善低仰角增益。目前，北斗三号主要需求频段有B1、B2b、B3、L、S，产品设计趋向于小型化，天线设计也需要尽量小型化。采用微带天线，通过单频段的微带天线叠层设计，使用仿真软件优化，可以得到小型化和低剖面的多频段叠层天线。多频段叠层天线，应用在不同的实际产品结构上，表现出的相位中心稳定度和低仰角增益并不相同。本文仿真软件分析及实际测试表明，不同的天线结构及加载新的金属结构，可以提高天线的相位中心稳定度以及在仰角5~10°可提高1~2dB左右的增益，在不改变天线整体体积的情况下，有效提高了天线相位中心稳定度以及低仰角增益。

1原理与设计

结构最简单的微带天线是一个三层相叠的天线，由带有金属地板的介质基片和辐射贴片所构成。辐射贴片导体是电磁波向空间辐射的辐射源，通常是铜，理论上可取任意形状。为了方便加工制造，通常都选用形状比较规则的贴片，比如圆形或者方形贴片等。受限于结构尺寸，微带天线通过增加介质的介电常数来实现小型化，北斗三号天线B2b、S、B1、B3和发射天线L叠层设计，而且B1和B3天线采用高精度天线设计，放置于结构几何中心，具有稳定且较小的相位中心，为后续的RTK定位提供信号基础。机载产品天线多与机体共型，这会导致天线的反射面突变，不规则发射面产生有害散射，导致天线的方向图畸变，相位中心稳定度变差，低仰角不圆度恶化。

1.1改善天线相位中心稳定度

常规的叠层式天线设计可保证相位中心、增益等电性能指标，结合合适的地板和围框结构，可以有效提升低仰角增益和相位中心。本文主要采用两种方式来改善高精度卫星导航系统终端天线的相位中心稳定度，一是采用轴向结构高度对称性的天线形式，二是采用多点均匀馈电技术。利用仿真软件能迅速找到天线PCO以及计算出相位差值，根据公式PCV=𝛥𝜑*𝜆/360，其中𝛥𝜑为在一定角度范围内相位波动峰峰值，𝜆为波长，根据仿真的相位方向图可以确认𝛥𝜑，通过以上公式可以得到相位中心稳定度。通过不同的天线馈点数目和不同的天线结构仿真对比分析，结果如图1所示。汇总数据统计如表1所示。综上数据，地板的形状越接近圆形，而且馈点数量4个或以上，相位中心稳定度越好，结合实际结构及布局难度，使用4馈点馈电和圆形高台结构设计，天线相位中心稳定度满足高精度天线设计要求。

1.2改善天线低仰角增益

增益等于方向系数和天线效率的乘积。天线的增益衡量的是天线辐射能量集束程度和能量转换效率的总效益。天线小型化设计，必须采用高介电常数材料，天线尺寸会有很大程度的缩减，但同时这也会恶化天线的阻抗带宽，损耗增加，增益会降低；为了克服天线带宽窄的缺点，使用厚介质板，但Q值降低，天线效率降低，增益下降；对于圆极化微带天线，其馈电点数目越多，天线的极化纯度越高，轴比带宽越宽，但馈电点数目的增加会同时增加天线馈电网络设计的复杂度，器件增加也会带来增益损失；不规则大型金属底板会导致天线方向图畸变，0~360°方位角增益最小值变差。以上种种原因最终导致天线的不圆度指标恶化，低仰角增益无法达到性能指标要求。一般的北斗导航天线下方都会有LNA模块，借助此模块的结构，巧妙设计，减少不规则大型金属底板对天线的有害散射。同时，增加围栏加载也称翻边技术，是一种常用的控制波瓣宽度，有效减少不规则大地板引起的散射，减少阵元间耦合的方法。从电磁场理论可知，电磁波的辐射能力和绕射能力与波长有密切关系，所以利用锯齿间隙可以很好地平衡不同频率天线的性能，在仿真中也发现，由于锯齿围栏的加载，对天线阵元间隔离度也有一定改善，从而减少同频阵元间互耦。几何结构如图2所示，仿真数据汇总如表2所示。较好，达到预期设计效果。

2实验

通过软件的优化仿真得出天线的结构参数：圆形凸台大小为φ200mm，高13mm；翻边锯齿状围栏大小为φ120mm，高10mm，厚度2mm，锯齿宽3mm，间距2.5mm。各个结构件采用螺钉进行紧固。由图3可见，仰角10°和5°增益分别大于﹣5.05和﹣6.21dBi，不圆度分别为3.03dB和3.55dB。此外，实测的相位中心稳定度为±1.7mm。

3结束语

实物测试结果符合仿真计算且满足工程需要，所产生的误差主要来源于实际加工过程中加工误差以及天线测试仪器导致的测试误差。本文研究的小型化机载天线及其关键技术，不仅拥有良好的相位中心稳定度，而且实现了低仰角增益的提高。这种研究对于有高精度需求且有低仰角高增益要求的微带天线开发具有一定的参考价值。

作者:刘志华 单位:广州海格通信集团股份有限公司