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摘要：北斗系統是我國具有完全自主知識產權的衛星定位系統。相比較北斗二號系統，北斗三號系統在定位精度具有更大的優勢，高精度衛星導航系統的終端天線是高穩定相位中心天線。此外，北斗三號機載產品由于其應用場景多在高空中，高精度天線擁有較高的低仰角增益，從而更好地接收低仰角衛星信號。合理選擇天線單元結構和尺寸、天線口徑和材質，可以平衡天線各個性能指標，選擇合適的饋電點數目以滿足天線增益和相位中心穩定度指標，改變金屬底版形狀，增加金屬圍框等技術可以提高天線低仰角增益。本文將以提高高精度天線相位中心穩定度和低仰角增益為重點進行深入研究。

關鍵詞：多頻段；低剖面；導航；相位中心；低仰角增益

0引言

北斗三號在原來北斗二號基礎上增加了衛星搜救功能和全球位置報告功能，定位精度和授時精度都有了較大提升。一方面，高精度衛星導航系統的終端天線是高精度相位中心天線，其相位中心的穩定性（PCV）會顯著影響系統的定位精度和工作性能；另一方面，衛星信號非常微弱，加之機載衛星導航產品特定的使用環境，對天線低仰角增益要求較高，故本文重點研究的北斗三號衛星導航天線關鍵技術為相位中心穩定度和改善低仰角增益。目前，北斗三號主要需求頻段有B1、B2b、B3、L、S，產品設計趨向于小型化，天線設計也需要盡量小型化。采用微帶天線，通過單頻段的微帶天線疊層設計，使用仿真軟件優化，可以得到小型化和低剖面的多頻段疊層天線。多頻段疊層天線，應用在不同的實際產品結構上，表現出的相位中心穩定度和低仰角增益并不相同。本文仿真軟件分析及實際測試表明，不同的天線結構及加載新的金屬結構，可以提高天線的相位中心穩定度以及在仰角5~10°可提高1~2dB左右的增益，在不改變天線整體體積的情況下，有效提高了天線相位中心穩定度以及低仰角增益。

1原理與設計

結構最簡單的微帶天線是一個三層相疊的天線，由帶有金屬地板的介質基片和輻射貼片所構成。輻射貼片導體是電磁波向空間輻射的輻射源，通常是銅，理論上可取任意形狀。為了方便加工制造，通常都選用形狀比較規則的貼片，比如圓形或者方形貼片等。受限于結構尺寸，微帶天線通過增加介質的介電常數來實現小型化，北斗三號天線B2b、S、B1、B3和發射天線L疊層設計，而且B1和B3天線采用高精度天線設計，放置于結構幾何中心，具有穩定且較小的相位中心，為后續的RTK定位提供信號基礎。機載產品天線多與機體共型，這會導致天線的反射面突變，不規則發射面產生有害散射，導致天線的方向圖畸變，相位中心穩定度變差，低仰角不圓度惡化。

1.1改善天線相位中心穩定度

常規的疊層式天線設計可保證相位中心、增益等電性能指標，結合合適的地板和圍框結構，可以有效提升低仰角增益和相位中心。本文主要采用兩種方式來改善高精度衛星導航系統終端天線的相位中心穩定度，一是采用軸向結構高度對稱性的天線形式，二是采用多點均勻饋電技術。利用仿真軟件能迅速找到天線PCO以及計算出相位差值，根據公式PCV=𝛥𝜑*𝜆/360，其中𝛥𝜑為在一定角度范圍內相位波動峰峰值，𝜆為波長，根據仿真的相位方向圖可以確認𝛥𝜑，通過以上公式可以得到相位中心穩定度。通過不同的天線饋點數目和不同的天線結構仿真對比分析，結果如圖1所示。匯總數據統計如表1所示。綜上數據，地板的形狀越接近圓形，而且饋點數量4個或以上，相位中心穩定度越好，結合實際結構及布局難度，使用4饋點饋電和圓形高臺結構設計，天線相位中心穩定度滿足高精度天線設計要求。

1.2改善天線低仰角增益

增益等于方向系數和天線效率的乘積。天線的增益衡量的是天線輻射能量集束程度和能量轉換效率的總效益。天線小型化設計，必須采用高介電常數材料，天線尺寸會有很大程度的縮減，但同時這也會惡化天線的阻抗帶寬，損耗增加，增益會降低；為了克服天線帶寬窄的缺點，使用厚介質板，但Q值降低，天線效率降低，增益下降；對于圓極化微帶天線，其饋電點數目越多，天線的極化純度越高，軸比帶寬越寬，但饋電點數目的增加會同時增加天線饋電網絡設計的復雜度，器件增加也會帶來增益損失；不規則大型金屬底板會導致天線方向圖畸變，0~360°方位角增益最小值變差。以上種種原因最終導致天線的不圓度指標惡化，低仰角增益無法達到性能指標要求。一般的北斗導航天線下方都會有LNA模塊，借助此模塊的結構，巧妙設計，減少不規則大型金屬底板對天線的有害散射。同時，增加圍欄加載也稱翻邊技術，是一種常用的控制波瓣寬度，有效減少不規則大地板引起的散射，減少陣元間耦合的方法。從電磁場理論可知，電磁波的輻射能力和繞射能力與波長有密切關系，所以利用鋸齒間隙可以很好地平衡不同頻率天線的性能，在仿真中也發現，由于鋸齒圍欄的加載，對天線陣元間隔離度也有一定改善，從而減少同頻陣元間互耦。幾何結構如圖2所示，仿真數據匯總如表2所示。較好，達到預期設計效果。

2實驗

通過軟件的優化仿真得出天線的結構參數：圓形凸臺大小為φ200mm，高13mm；翻邊鋸齒狀圍欄大小為φ120mm，高10mm，厚度2mm，鋸齒寬3mm，間距2.5mm。各個結構件采用螺釘進行緊固。由圖3可見，仰角10°和5°增益分別大于﹣5.05和﹣6.21dBi，不圓度分別為3.03dB和3.55dB。此外，實測的相位中心穩定度為±1.7mm。

3結束語

實物測試結果符合仿真計算且滿足工程需要，所產生的誤差主要來源于實際加工過程中加工誤差以及天線測試儀器導致的測試誤差。本文研究的小型化機載天線及其關鍵技術，不僅擁有良好的相位中心穩定度，而且實現了低仰角增益的提高。這種研究對于有高精度需求且有低仰角高增益要求的微帶天線開發具有一定的參考價值。

作者:劉志華 單位:廣州海格通信集團股份有限公司