GPS天线技术及其发展

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GPS天线技术及其发展
高阳, 董树荣, 王德苗
(浙江大学信电系, 杭州310027)
摘要: GPS系统自1994部署完毕后, 迅速在导航、测绘及授时等多个领域得到广泛应用。
GPS应用领域的快速壮大, 有力地推动了天线技术的发展。在介绍GPS工作特性及其对接收
天线要求的基础上, 着重阐述了微带天线和四臂螺旋天线两种主要的GPS天线, 并针对当前
GPS接收设备发展趋势, 展望了GPS天线在小型化、低成本、抗干扰、多频段等方面的发展方
向和有关难题。
关键词: GPS; 天线; 微带天线; 四臂螺旋天线
中图分类号: TN967. 1 文献标识码: A 文章编号: 1003-8329( 2008) 04-0034-06
Development ofAntennas for Global Position System
GAO Yang, DONG Shu-rong, WANG D e-m iao
( Dep.t ISEE. , Zhejiang Un iversity, Hangzhou 310027, China)
Abstract: G lobal position system ( GPS) is w idely used in many field since it is finished in 1994.
W ith the developmen t ofGPS and its antennas technology is continuous progress. B ased on in troduction
o f the signa l characteristic o fGPS sate llite and system requiremen t o fGPS antennas, the paper
focus on ana lysis the factual shapes and techn ica l characteristics ofm icrostrip antenna and quadrif-i
lar helix antenna. In the end o f th is paper, a imed at the application requ iremen,t the deve lopment
trends and key techn iques is po inted ou.t
Key words: g lobal positioning system; an tenna; m icrostrip an tenna; quadrifilar he lix antenna
1 引 言
全球定位系统( G loba l Posit ion ing System, GPS)
是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导
航定位系统, 广泛应用于导航、测绘、监测、授时、通
信等多种领域。近年来, GPS系统在民用领域迅猛
发展, 特别是在车辆导航和手机定位等方面潜力巨
大。为了适应GPS应用需求, 天线是必须解决的关
键问题之一。
根据GPS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, 对GPS天线提出了很
高的要求。虽然目前GPS 天线技术已经趋于成熟,
但它仍旧是制约接收机性能的瓶颈, 是设计中主要
考虑的因素。GPS接收天线主要有微带贴片天线和
四臂螺旋天线两种, 为满足当前各种便携式、多功能
接收机的需求, 人们对GPS天线的小型化、多频段、
抗干扰、圆极化等技术进行了不断的研究。本文在
介绍GPS工作特性和天线基本要求的基础上, 详细
论述了两种主要的GPS接收天线, 指出了GPS接收
机天线的发展趋势, 并进行了总结。
) 34 ) 5无线通信技术6 2008年第 4期
*作者简介: 高阳( 1979) ) , 男, 安徽太和人, 浙江大学信息与电子工程学系电磁场与微波技术专业硕士研究生。研究方向为天线设计。
2 GPS工作特性及其
对天线的基本要求
2. 1 GPS工作特性[ 1]
GPS 卫星星座由24 颗卫星组成, 其中工作星
21颗, 备用星3颗, 卫星分布在6 个轨道面上, 每个
轨道上均匀分布4颗, 卫星运行周期为11时58分。
卫星在地平面以上的数目随时间和地点的变化而
异, 最少为4颗, 最多为11 颗。卫星向用户发送导
航电文, GPS接收机同时接收至少4颗卫星信号, 利
用接收机到卫星的距离计算出测点的三维位置。
GPS测距方法分伪距测量和载波相位测量两
种, 前者是利用测距码得到某一时刻GPS接收机天
线到4颗以上卫星的距离; 后者是利用卫星信号载
波波长来测量接收机到卫星的距离。
GPS卫星距离地球平均距离为20000多千米,
到达地面的GPS信号非常微弱, 大约为- 160dBW。
每颗卫星发射L1 和L2两个载波频率, L1 频率为
1575. 42MH z, L2 为1227. 6MH z。GPS 卫星发射天
线阵是赋形波束, 使用户在天顶和仰角5b时接收信
号功率电平最低, 两者之间逐渐增强, 仰角40b左右
时最大。根据距离交汇法定位原理, 越是低仰角的
卫星, 越能提高GPS定位精度, 天顶的卫星虽然信
号易于接收, 但对提高精度贡献不大。
2. 2 GPS接收机天线的要求
从上述GPS工作特性, 考虑到接收机工作环境
影响, 对天线提出了以下要求。
2. 3. 1 方向性
GPS接收机能够接收到地平面上的卫星数目越
多越好, 一般要求能够接收仰角5b以上的所有天空
中的卫星信号。因此, 天线在这个空间内要对卫星
信号具有均匀的响应, 当低于接收高度时, 为抑制严
重的多路径效应和对流层效应, 天线响应要迅速截
止。理想的GPS 接收机天线在上半平面具有近似
半球形的方向图, 一般要求波瓣宽度\120b, 水平面
附近的截止率大于1dB /度(从仰角- 5b到5b) [ 2 ] 。
图1为一个商用GPS接收机天线的方向图。
在利用载波相位测量的接收机中, 天线还应该
具有均匀的相位响应, 且相位中心要和天线几何中
心吻合。
图1 GPS接收机天线的方向图
2. 3. 2 极化形式
GPS信号是由卫星从空间发送下来的, 为了消
除电离层对信号的法拉第旋转效应, 信号采用的是
右旋圆极化, 因此, 接收天线也应采用右旋圆极化方
式。当GPS卫星信号被地面或建筑物等对称物体
反射后, 会变成左旋极化的交叉极化信号, 多路径信
号多是这种形式, 所以右旋圆极化天线还能够抑制
多路径干扰。由于圆极化天线存在交叉极化现象,
所以应设法提高天线的交叉极化抑制能力。
2. 3. 3 频率特性
GPS卫星发射频率是L1和L2 两个频率, 今后会
增加L5 ( 1176. 45MH z)民用频率。一般情况下, GPS
天线工作在单频, 但在精确测量时, 通常工作在双频
或多频来补偿电离层延时, 此时要求天线在两个频
率上都具有良好的方向性和圆极化特性。
2. 3. 4 增益
GPS天线具有半球形的方向性, 因此增益一般
都很低。GPS天线单元一般都由接收天线和低噪声
前置放大器组成, 放大器一般能够提供15 ~ 35dB
的增益, 许多GPS天线直接采用有源天线设计。
GPS接收机天线除了具有上述要求外, 还应采
取适当的防护和屏蔽措施, 减少多路径干扰; 综合考
虑安装载体对天线辐射模式的影响, 努力实现天线
小型化, 增强天线顽健性, 等等。
3 GPS接收机天线的主要类型
根据应用不同, GPS天线有多种类型, 主要有单
极或偶极天线、微带天线、单臂螺旋天线、四臂螺旋
天线、圆锥螺旋天线、阵列天线等。其中, 微带天线
多用于测量型接收机和飞行器上, 单臂螺旋和圆锥
5无线通信技术6 2008年第 4期 ) 35 )
螺旋多用于卫星通信中。目前, 微带贴片天线和四
臂螺旋天线因具有突出优点和令人满意的电气性能
而被广泛使用。
3. 1 微带贴片天线
微带天线是50年代提出, 80年代趋于成熟的
一种天线。由于微带天线具有体积小、可共形、设计
灵活、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点, 因
此被广泛应用在GPS接收系统中。通常微带天线
是由一块厚度远小于工作波长的介质基片和两面各
覆盖一块辐射金属片构成, 如图2 所示。其中覆盖
基片底部的有限辐射金属片称为接地板, 而基片另
一面尺寸和工作波长近似的金属片称为辐射单元。
微带天线一般采用底端同轴馈电, 同轴线的内导体
穿过基片和贴片连接, 而外导体连接在接地板上。
微带天线按辐射元的形状可分为多种类型, GPS常
用的是矩形和圆形微带天线。
图2 微带天线示意图
3. 1. 1 微带贴片天线的理论分析
微带贴片天线可看作是, 在导体贴片与接地板
之间激励的射频电磁场, 通过贴片四周与接地板之
间的缝隙而产生的向外辐射。
分析微带天线的基本理论大致可分为三类: 传
输线理论、空腔理论和全波理论[ 3] 。
最早出现的也最简单的是传输线模型理论, 主
要用于矩形贴片。该理论将微带天线看成两个正交
的、终端开路的传输线, 传输准TEM 波。更严格更
有用的是空腔模型理论, 可用于各种规则贴片, 该理
论将贴片与接地板之间的空间看成是四周为磁壁、
上下为电壁的谐振空腔, 天线辐射场由空腔四周的
等效磁流来得出, 天线输入阻抗可根据空腔内场和
馈源边界条件来求得。最严格而计算最复杂的是积
分方程法, 即全波理论。从原理上说, 全波理论可用
于任何微带天线, 然而要受计算模型的精度和机时
的限制。
3. 1. 2 微带贴片天线的圆极化[ 4]
微带天线获得圆极化的关键是激励起两个极化
方向正交、幅度相等、相位差90度的线极化波。对
于单点馈电的GPS微带天线来说, 主要通过切角和
偏置馈电来实现, 切角包括辐射元切角和基片切角。
图3为典型的两个GPS圆极化贴片天线, ( a)中是
贴片双切角且x 轴偏置馈电, ( b) 中是基片单切角
且x 和y 轴偏置馈电[ 5 ] 。
3. 1. 3 微带贴片天线的性能
贴片天线是宽波束天线, 在天顶具有最大增益。
该天线的缺点是增益低。图3 是一个商用的GPS
介质贴片天线的方向图[ 5] , 该天线接收频率范围
1575. 42 ? 1. 023MH z, 带宽9MH z( R eture Loss[ -
10dB) , 尺寸25 @ 25 @ 4. 5mm, 增益5dB i(天顶), -
1dB i( 10b仰角) , 输入阻抗508。
( a) ( b)
图3 一种GPS 介质贴片天线的方向图
3. 2 四臂螺旋天线
谐振式四臂螺旋天线是C. C. K ilgus在1968年
提出的, 并对其进行了深入研究[ 6~ 8] , 该天线具有心
型的方向图、良好的前后比及优异的圆极化特性。
J. M. Tranquilla在文献[ 9]中对天线的相位和幅度
特性进行了进一步研究。1996年P. K. Shumaker提
出了一种新型的印刷谐振式四臂螺旋天线[ 10 ] , 从而
实现了天线小型化。四臂螺旋天线被认为是最理想
的GPS接收天线。
3. 2. 1 四臂螺旋天线的结构
谐振式四臂螺旋天线结构如图4所示, 它由四
根螺旋臂组成, 每根螺旋臂长度为MK/4(M 为整
数)。四根螺旋臂馈电端电流相等, 相位两两相差
90b(分别为0b、90b、180b、270b); 非馈电端开路(M
为奇数时) 或短路(M 为偶数时)。四臂螺旋天线也
可以看作是由两个正交馈电的双臂螺旋天线组成。
) 36 ) 5无线通信技术6 2008年第 4期
天线的结构参数可由下式确定[ 8 ] :
Lax = N ( 1 /N
2
) ( Lele - A r0 )
2
- 4P2
r
2
0
其中Lax 为螺旋的轴向长度( mm ) ; Lele 为螺旋臂的
长度(mm) ; r0 为螺旋的半径(mm) ; N 为螺旋的圈
数;M 为奇数时A = 1, M 为偶数时, A = 2。
图4 四臂螺旋天线
设计四臂螺旋天线时, 要确定其高度、直径和螺
旋线上升角, 从而得到预期的天线增益、方向性和输
入阻抗。谐振的1 /4圈、1 /2圈和1圈的四臂螺旋
天线在任何轴长和直径下, 能够产生心形方向图, 但
臂长大于1圈或者轴长和直径之比较小将对理想的
方向图和高的圆极化轴比产生不良影响。所以谐振
式四臂螺旋天线一般臂长为K/2, 旋转角度为1 /2
圈。对于小型印刷介质加载四臂螺旋天线, 采用同轴
线经过轴心在顶部进行馈电, 为达到平衡馈电, 底部
设计有K/4巴伦结构。如5是双臂螺旋结构的示意
图。
图5 印刷介质加载双臂螺旋天线结构示意图
3. 2. 2 四臂螺旋天线的工作原理
四臂螺旋天线可以看作是两个双臂螺旋天线构
成的, 它们之间旋转90b且正交馈电。对于一个双
臂螺旋天线来说, 当天线处于谐振状态时, 臂上的电
流幅度接近正弦分布, 其中最大值位于馈电点和短
路点, 零点位于螺旋臂的中部, 我们可得到它的简化
模型[ 8] , 如图6( a)所示。这里我们选择螺旋中心为
原点, 轴为Z 轴, 顶面和底面上天线臂的平行线为Y
轴来建立坐标系, 显然该模型可进一步简化为图6
( b)所示的一个YZ 平面上的电流环和一个X 轴上
的电偶极子的组合。同样, 跟它垂直的另一付双臂螺
旋天线亦可以等效成一个XZ 平面上的电流环和一
个Y轴上的电偶极子的组合。根据天线的叠加原
理, 由于这两组电流环和电偶极子互相垂直且相位
差90b, 那么在远区得到的是一个宽波束的心型的
圆极化方向图。
( a) 简化模型 ( b) 环偶极子模型
图6 双臂螺旋天线的简化模型
四臂螺旋天线的关键问题是实现等幅正交馈
电, 利用同轴电缆可实现双臂螺旋的等幅反向馈电,
因此还需要实现两个双臂螺旋的正交馈电。一种设
计方法是采用移相电路的馈电网络, 实现90 度相
移[ 11] 。第二种方法是采用自相移结构[ 12]
, 使两个
双臂螺旋的长度有一定差别, 其中一个比谐振时的
长度稍长, 产生一个相对于谐振时有- 45度相移的
输入阻抗, 另一个比谐振时的稍短, 产生一个相对于
谐振时有+ 45度相移的输入阻抗, 这样, 两个双臂
螺旋就实现了相位差90b。
3. 2. 3 介质加载四臂螺旋天线
( a) 天线外形 ( b) 天线方向图
图7 应用于GPS 的介质加载四臂螺旋天线
较大的尺寸和复杂的馈电结构一直制约着四臂
螺旋天线的应用。介质加载四臂螺旋天线采用高介
电常数的介质和自相移馈电结构, 可解决上述问题。
图7( a)所示为英国sarante l公司生产的GPS 介质
加载四臂螺旋天线。该天线采用Er = 40的陶瓷作
5无线通信技术6 2008年第 4期 ) 37 )
为介质, 四条臂通过激光刻蚀形成, 尺寸为10 @ 18
(直径@高)。同轴电缆馈电结构通过轴心在顶端
进行馈电, 底部为一套筒巴伦, 在实现平衡馈电的同
时将电流限制在巴伦边缘, 减少周围物体对天线的
影响。图7( b)为该天线的方向图。
3. 3 微带天线和四臂螺旋天线的比较
根据前面的讨论可以看出, 两种天线各有优缺
点, 详见表1。
表1 两种GPS天线的比较
天线类型优 点缺 点
微带天线
低剖面、形状规则, 结构简单、馈电简单、制作容易,
成本低; 易于实现圆极化; 有介质加载、短路加载、表
面开槽、特殊形式(分形、蝶形等)等多种小型化方法
带宽较窄; 有参考地, 面积较大; 波束不
够宽, 天顶增益最大, 水平方向无增益,
天线接收角度受限; 增益较低
四臂螺旋天线
具有心型方向图, 波瓣宽度高达220b, 水平方向还有
增益, 天线接收角度随意, 低仰角的圆极化特性优良;
无参考地, 近场极小, 受周围物体影响小; 圆柱形, 体
积较小; 有介质加载、枝节加载、曲流、顶部折叠、螺旋
角渐变等多种小型化方法
带宽较窄; 结构复杂, 正交平衡馈电
复杂; 对加工精度要求高, 制作不易, 成本
高; 增益较低; 不适合应用于多路径干扰
严重的环境
4 GPS天线的发展趋势
4. 1 天线的小型化
近年来便携式接收机的应用, 对小型化GPS天
线提出了迫切需求。目前GPS 微带天线和四臂螺
旋天线多采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实
现天线小型化。
采用Er = 28的陶瓷基片代替Er = 3的普通基
片, 微带天线的尺寸可以缩减90% 左右。采用Er =
40的陶瓷介质的四臂螺旋天线(如图7) , 体积只有
原来的1 /6。但这类高介质天线的表面损耗较大,
效率较低。对四臂螺旋天线来说, 还可通过加
载[ 13] 、曲流[ 14] 、部分折叠[ 15] 等技术实现小型化。
今后, 可采用损耗更小、介电常数更大的介质及
特殊的天线结构, 来进一步缩小天线尺寸。
4. 2 降低天线成本
目前微带天线价格比较适中, 在GPS应用中处
于优势地位。虽然介质加载四臂螺旋天线性能优
良, 但该天线结构复杂, 制作加工成本较高, 因而只
应用在高端产品中。可见, 设法降低四臂螺旋天线
的制作成本, 是保证GPS 产品广泛应用的必然要
求。
4. 3 增强抗干扰能力
GPS信号极易遭受外来的干扰, 对于天线来说,
主要通过波束控制技术和自适应调零天线[ 16] 来抗
干扰。波束控制技术是用数字波束形成的方法将天
线波束定向到所要跟踪的卫星, 从而把增益加到所
希望的信号上, 这种方法需要使用大孔径的天线阵,
计算任务繁重。自适应调零天线是通过电子调谐方
式, 使天线方向图在干扰源方向上建立零点, 可将抗
干扰能力提高40~ 50dB。自适应调零天线在美国
军事上得到了广泛应用。"战斧"导弹、JDAM (联合
直接攻击弹药)及F216 战斗机上的GPS 接收机均
采用了自适应调零天线阵。
另外, 如何对付城市中严重的多路径干扰, 也是
当前应用中的一个关键问题。
4. 4 双/多频段天线
目前, 美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系
统及欧洲伽利略系统, 都能够提供导航服务。如果
一部接收机能同时接收两种甚至三种卫星信号, 不
仅有助于观测更多的星座, 提高定位精度, 还能够免
受单一系统的制约。另外, 除了精密双频测量接收
机外, GPS技术和个人移动通信终端的集成, 也需要
一个天线能够解决GPS 和GSM、CDMA 或3G 两个
频段的应用问题。
目前的微带天线, 多采用贴片层叠的方法来实
) 38 ) 5无线通信技术6 2008年第 4期
现双/多频段。对于四臂螺旋天线, 多采用上下堆叠
和内外嵌套的方式来实现, 还有一种方法是, 将每条
臂用三根不同长度臂代替, 实现三频段特性[ 17 ] 。值
得指出的是, 四臂螺旋天线, 在双频段天线设计上具
有潜在优势, 可利用它不同的工作模式, 实现双/多
频特性。
4. 5 国内研究情况
国内对GPS贴片天线的研究已趋于成熟, 许多
厂家都能够设计和生产。而小型介质加载四臂螺旋
天线, 主要被英国sarante l公司垄断, 国内还没有相
应的产品, 因此目前对该天线研究比较热门。我们
浙江大学正在合作研究此类型天线, 目前已经制作
了样品, 通过微波暗室测量, 性能良好; 上海大学和
相关单位也已经联合研制了GPS 方形介质加载四
臂螺旋天线[ 18 ] , 预计在不久的将来这些产品将达到
应用要求。
5 结束语
GPS 接收机天线是宽波束圆极化天线, 具有近
似上半球形的振幅和相位响应。微带贴片天线和四
臂螺旋天线是目前应用较多的两种GPS 天线, 其中
四臂螺旋天线被认为是理想的GPS天线, 但微带天
线由于成本低而得到广泛应用。今后一个时期,
GPS天线将向小型化、多频段、抗干扰等方向发展。
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