北斗多模卫星导航天线设计

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2013 年第26 卷第4 期
Electronic Sci. ＆ Tech. /Apr. 15，2013
电子·电路
www. dianzikeji. org
收稿日期: 2013-02-01
作者简介: 宋跃( 1982—) ，男，博士，工程师。研究方向:
微带天线，超宽带阵列天线，射频组件。E-mail: y_ song2006
@126. com
北斗多模卫星导航天线设计
宋跃1，刘岚2，韩国栋1
( 1. 中国电子科技集团公司第54 研究所天线伺服专业部，河北石家庄050081; 2. 机械工业出版社，北京100037)
摘要设计了一种可以工作在GPS L1、GLONASS 和北斗频段的多模卫星导航天线。采用“叠层结构”和引入宽
带的带状线90°电桥，实现了天线的多频段工作。该天线易于调节，可以应用于不同的载体，具有与后端射频模块良
好的集成性。
关键词卫星导航; 多模天线; 北斗
中图分类号TN967. 1 文献标识码A 文章编号1007 － 7820( 2013) 04 － 137 － 03
Antenna Design for the Beidou Multiband Microstrip Navigation System
SONG Yue1，LIU Lan2，HAN Guodong1
( 1. Antenna Servo Professional Unit，The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang 050081，China;
2. China Machine Press，Beijing 100037，China)
Abstract A multiband microstrip antenna for GPS L1，GLONASS and Beidou navigation system is designed．
By the use of stack structure and wideband 3 dB directive coupler，multiband operation is achieved． With its easily
modifiable structure and good integration with rear-end RF circuits，the proposed antenna can be used on various
platforms．
Keywords navigation system; multiband antenna; Beidou
卫星导航系统是指为地面、海洋、空间及太空的各
种载体提供位置、速度、时间等资讯服务的专业系统，
可实现对目标的定位、导航、监管和管理，已经在军事
和民用等不同领域发挥出重要的作用，成为不可或缺
的无线电应用技术。目前，相对成熟的卫星导航系统
主要包括美国的“全球定位系统”GPS( Global Position
System) ，俄罗斯的“全球导航卫星系统”GLONASS
( Global Navigation Satellite System) 、欧洲“伽利略( Galileo)
”导航卫星系统。随着中国北斗导航卫星的使
用，急需开发相应导航系统所需的各种高性能设备，如
集成芯片、接收机和终端天线等。天线是无线系统中
重要的部件之一，其电性能决定着整个链路系统的性
能［1 － 5］。由于星载、机载、车载或手持载体的不同及载
体结构尺寸的限制，卫星导航终端需要配备宽带、多频
段、小型化或宽波束等不同性能组合的圆极化
天线［1 － 5］。
文献中可查阅的多模卫星导航天线［1 －5］多工作在
GPS( 1 227. 6 ±2. 06 MHz，1 575 ±2. 046 MHz) 和GLONASS
( 1 603. 69 ±10. 732 5 MHz) 频段，相对带宽约为32. 9%。
而设计工作在GPS 频段( 1 575 ± 2. 046 MHz) 至北斗
频段( 2 491. 75 ± 8. 25 MHz) 的终端天线的相对驻波带
宽约为45. 3%，相对频带间隔宽于目前的多模卫星导
航天线。设计覆盖北斗频段的多模卫星导航天线已经
面临紧迫的挑战。同时，文献中给出的天线设计多考
虑天线自身的电性能实现，但是结构方面的设计及不
同载体的要求较少顾及，如天线的载体限制尺寸且为
金属结构，则天线的馈电网络则不能直接使用微带线
和槽线结构，也不能过于复杂等。
由于铝金属结构具有强度高、重量轻和加工方便
的特点，大多数卫星导航终端都使用这类材料作为天
线的载体。为了易于集成，载体上层用于固定天线，而
下层则用于放置射频组件。本文设计了一种可以工作
在GPS 频段( 1 575 ± 2. 046 MHz) 、GLONASS 频段
( 1 603. 69 ± 10. 732 5 MHz) 和北斗频段( 2 491. 75 ±
8. 25 MHz) 的多模圆极化天线结构形式。为了易于调
谐和集成，选用具有低剖面特性的圆环形天线和贴片
枝节结构形式和不受天线载体的限制且具有宽带特性
的带状线结构。
1 天线设计
图1 给出了天线及馈电网络的结构示意图。北斗
多模卫星导航天线的整体尺寸为40 mm × 40 mm ×
11 mm。通过双馈电点“叠层式”设计，即耦合馈电方
式实现双频带工作。为保证上、下贴片天线具有相同
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的馈电位置，微带天线的介质基板分为两层，其介电常
数分别选为ε = 2. 2 和3. 2，厚度分别为2. 4 mm 和
6. 4 mm。为了易于调谐，贴片天线选用调节参数少的
圆环形结构，其内、外半径尺寸选为r = 16 mm，r =
43 mm和r = 13 mm，r = 52. 6 mm，上层贴片的谐振频率
为1 589 MHz，下层贴片的谐振频率为2 494 MHz。贴
片枝节尺寸为2. 5 mm × 2 mm，来微调北斗天线的谐振
频率。仿真软件选用Ansoft HFSS 和AWR Microwave
Office。
图1 天线整体结构示意图
2 天线仿真与分析
图2 中给出了矩形贴片天线的S11
的仿真结果，可以
看出，天线在频段1 573 ～1 577 MHz，1 593 ～1 620 MHz 和
2 480 ～ 2 500 MHz 内的S11
均＜ － 10 dB，满足指标
要求。
图2 “叠层式”微带天线的S11仿真结果
图3 为馈电网络的结构示意图和仿真结果。馈电
网络采用改进的紧凑型90°宽带移相器结构［4］，设计
时需要兼顾带状线间的耦合相应。因为采用两层介质
材料( ε = 3. 2，厚度1 mm) ，为了保证带状线的电性
能，实施过程中在带状线结构周围使用了很多金属销
钉，保证两层介质板材贴合紧密。通过仿真结果可以
看出，改进的宽带馈电网络在需要的1 570 ～2 492 MHz
频段内具有良好的90°移相特性和一致的幅度特性。
表1 给出了图3( a) 中对应的圆极化网络参数的数值。
表1 圆极化网络参数
参数L1 L2 L3 Lo Ls W1 W2 W3 Wo Ws
数值/mm 45. 4 68 22. 6 11. 3 11. 3 0. 79 1. 14 0. 61 0. 13 0. 13
图4 给出了北斗多模导航卫星天线的结构图。天
图3 圆极化馈电网络
线的接口为SMA 同轴连接器。仿真过程中考虑了实
施时的具体情况，馈电网络中带状线周围通过金属螺
钉保证2 层介质板贴实，同时移相器的短路点应连接
带状线的上下底板以防止高次模的产生。在同轴与带
状线过渡处应放置若干金属销钉连接带状线上下表
面，通过仿真确定销钉位置以减小不连续产生的影响。
介质基板的金属层起到接地板的作用，其上有通孔构
造成50 Ω 同轴线，通过1 mm 的金属细线连接天线和
90°电桥来实现对天线馈电。
图4 多模导航卫星天线的结构图
图5 给出了北斗多模导航卫星天线的实测电压驻
波比曲线，可以看出，由于使用宽带馈电网络，使得在
频带1 400 ～ 2 600 MHz 内总端口的电压驻波比＜ 2。
图6 和图7 分别给出天线的仿真辐射性能曲线。
图6 为天线在1 575 MHz、1 603 MHz 和2492 MHz 处
实测的左、右旋圆极化方向图曲线。图7 给出了在频
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图5 天线的仿真电压驻波比曲线
带1 500 ～ 1 700 MHz 和2 350 ～ 2 550 MHz 内的实测
增益和轴比曲线，实验数据表明，在要求的频带内该天
线具有良好的圆极化辐射性能。
图6 天线的仿真方向图
图7 天线的仿真增益曲线和轴比曲线
3 结束语
本文设计了一种易于调谐并应用于多载体平台的
北斗多模卫星导航天线。该天线具有小型化、低剖面
和结构稳固的特点，易于与后端射频组件集成，具有良
好的电性能和工程实现性。
参考文献
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