北斗二代和GPS联合导航的双频微带天线的设计

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北斗二代和GPS 联合导航的双频微带天线的设计
李庚禄1，林福民1，林智凯1，陈伟2
(广东工业大学，广东广州511400)
（1.广东工业大学物理与光电工程学院，广东广州510006；2. 广州中海达卫星导航技术股份有限公司，广东广州511400）
摘要：设计了一种双层贴片的右旋圆极化双频微带天线，可作为北斗二代B1/B2 和GPS L1/L2 联合导航的接收天线。天
线的每层贴片都采用了均匀对称的四点馈电，由正交90° Hybrid 耦合器组成馈电网络，有效地改善相位中心的稳定性，
提高了定位精度。用Ansoft HFSS 软件的仿真结果表明，天线的增益、波束宽度、工作带宽和轴比带宽等性能参数都较
好，因此，这类天线最适合作为精确定位导航终端的接收天线。
关键词：北斗；双频；圆极化；宽带；微带天线
中图分类号：TN965.2 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2012）04-0012-02
0 引言
我国高度重视卫星导航系统的建设，一直努力探索和发
展拥有自主知识产权的北斗卫星导航系统。北斗卫星导航系
统是继美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO 之后全
球第四大卫星导航系统。根据全球卫星导航系统（Global Navigation
Satellite System，GNSS）定位原理及其卫星信号特征，为
实现接收机快速、连续、精确定位，多个卫星导航系统组合是
未来发展趋势。因为多频多模不仅有助于观测更多的星座，
提高定位精度和可靠性，还能够免受单一系统的制约，可见研
究多频多模的卫星导航天线有着重要的现实意义。[1~3]
微带天线由于重量轻、体积小、轮廓低和易共形等优点而
得到了广泛的研究和应用[4]。本文在厚度h=0.4cm，介电常
数r=2.2 的介质基板上，采用微带贴片层叠结构设计了一种
工作在1197MHz~1237MHz 和1551MHz~1585MHz 频段的
新型卫星导航接收天线，它可覆盖北斗二代B1/B2 和GPS
L1/L2 频段，为实际项目的开展奠定了基础。
1 天线设计
1.1 微带天线贴片设计
本文设计的微带天线贴片是结合了同轴馈电网络，将传
统的矩形贴片和圆形贴片结合而形成的，充分利用矩形贴片
带宽宽、圆形完全对称的优点。
公式1：单馈点矩形贴片尺寸经验公式
，其中
公式2：单馈点圆形贴片尺寸经验公式
式中fr 为工作频率（Hz），r 是基片的介质相对介电常数，
h 是基片的厚度（cm），W 是矩形贴片宽度(cm)，L 是矩形贴片
长度(cm)，R 是圆形贴片的半径(cm)。
对于同轴线馈电的微带贴片天线，在确定了贴片尺寸之
后，还要确定馈点的位置，矩形和圆形贴片的馈电点阻抗由贴
片中心沿径向到边缘的阻抗逐渐变大，最佳位置是在输入阻
抗为50 处。
1.2 馈电网络设计
一般来说，天线的馈点数目越多，其对称性越好，则相位
中心的稳定度越高[7~8]。本文的天线每层采用了均匀对称的4
馈点同轴馈电结构，从设计上保证了天线的相位中心的稳定
性。馈电结构采用新的形式（见图1），提高了天线的频带宽度
和轴比带宽，增强了低仰角卫星导航信号的接收能力。
图1 双层馈点示意图（从底层向上看）
为了实现天线接收右旋圆极化波，用正交90°Hybrid 耦合
器[9]组成馈电网络，其中一个支路插入1/4 波长延时线使4 个
等幅且相位各相差90°的电场信号合路移相后终端得到一路
同相信号。如图2 所示。
为了明确AIS 基站的覆盖效果，本研究从多个角度进行了分
析，并进行了软件研究和实地测试，根据本研究的主要成果，
分阶段、分类别的综合测试法能够较为全面、真实地反映AIS
基站的覆盖情况，在未来的基站建设中应当进行推广应用。
参考文献：
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准JT/T704-2007
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基金项目：受交通运输部水运科学研究所前瞻性基础性研究
项目基金资助，项目编号：51108（长江航运现代化治安防控体
系研究）。
2012 年第4 期
（总第120 期）
2012
（Sum. No 120）
信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
13
图2 天线结构模型
2 天线模型
根据公式1~2，得出上下层贴片的理论尺寸，见表1。然
后在Ansoft HFSS 软件中建模，为了保证对称性，矩形贴片取
正方形贴片，边长取矩形贴片的长度L。公式1~2 是在地板无
限大基础上的，实际地板是有限面积的，当地板尺寸大于贴片
6h 时，可保证计算结果准确[5~6]。
利用Ansoft HFSS 对天线进行了仿真，优化调整后，满足
天线指标的尺寸见表1。
表1 微带天线尺寸（单位:cm）
注：△为仿真优化与理论计算尺寸的差值。
通过分析表1 可知，理论与仿真优化结果有一定差异。这
是因为设计中采用的公式是理想的，也没有考虑多馈点之间耦
合、地板大小以及馈点位置等其它因素。下层贴片误差来源还有：
（1）上层贴片馈电的同轴线穿过下层贴片，减小了下层的
有效尺寸；
（2）上层贴片层叠在下层之上造成了下层特性阻抗、损耗
和相速等参数的变化。
当然HFSS 软件也会存在一定误差，但其优化结果可以作
为天线制作的重要参考。
3 仿真结果分析与讨论
对天线的端口匹配、轴比和方向图等的仿真结果见图3~图4。
(a) B2/L2 频段(b) B1/L1 频段
图3 天线端口回波损耗曲线图
由上图可见，天线端口的回波损耗在工作频段内都小
于-10dB。它包含了卫星信号99%以上的频谱能量。
(a) f=1217MHz, =0° (b) f=1568MHz, =0°
图4 天线轴比随入射角变化曲线图
由上图可见，在XOZ面内3dB轴比波束宽度：在1217MHz
时为-78°~80°；在1568MHz 时-71°~69°。
从图3~图4 中可以看出，天线在讨论的工作频带具有较
好的端口匹配、轴比和方向图。
4 结语
本文设计双频卫星导航微带天线不仅右旋圆极化性能
良好、轴比带宽，结构也简单，易于加工；更重要的是采用均
匀对称馈电，使其可以保证很高的相位中心稳定性。这样可
以用其来高精度定位和测量，相信它将会具有广泛的应用前
景。
由于天线相位中心是变化的，在毫米级高精度测量中，需
要对天线的相位中心进行测量和校准，这将是我们的后续研
究工作。
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2014-10-1 07:33 上传

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