用于卫星定位的多叉单极子阵列天线设计_林斌.pdf

2023.3电子产品世界设计应用Design&Application无线应用用于卫星定位的多叉单极子阵列天线设计*Design of multi fork monopole array antenna for satellite positioning林 斌，温舒瑶，王星烨，黄千益，王齐玉，郑梅洁（厦门大学嘉庚学院，福建漳州363105）摘 要：针对两种现有卫星定位系统对天线的性能要求，设计出星形切角辐射贴片，并将其与具有高辐射强度和优良定向辐射工作能力的微带单极子天线、具有宽频率范围辐射性能的多叉单极子结构、具有超强频率兼容性的不对称阵列天线相结合，设计了能够兼容全球定位系统和北斗卫星导航系统的多叉单极子阵列天线。该天线兼具高性能冗余天线和定向辐射天线的优点，能够完全覆盖现有卫星定位系统工作频段，是一款具备较大应用潜力的高性能卫星定位天线。关键词：卫星定位系统；星形切角辐射贴片；微带单极子天线；多叉单极子；不对称阵列天线福建省自然科学基金项目,项目编号：2020J01039；漳州市科技计划项目，项目编号：ZZ2020J04卫星定位系统是人类 20 世纪最伟大的发明创造之一,它依靠多颗定位卫星和数量庞大的地面终端设备共同实现高精度的全球定位。目前最成熟最有应用潜力的定位系统是由美国主导研发设计的全球定位系统和中国自主研发设计的北斗卫星导航系统。卫星定位天线是卫星定位系统的重要组成部分,对卫星定位的精度和定位有效距离有着决定性的影响。全球定位系统的卫星定位天线需要完全覆盖（1.164 1.577）GHz 频段1-6,北斗卫星导航系统的卫星定位天线需要完全覆盖（1.204 1.564）GHz 工作频段7-10。合格的卫星定位天线需要同时兼容全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段,并能满足辐射强度高、工作带宽大、有充足性能冗余、辐射能量集中、能够窄波束定向辐射等要求。1 多叉单极子天线简介多叉单极子天线的结构如图 1 所示。该天线的基本辐射单元是星形切角辐射贴片,它由四角星经过切角处理得到。四角星结构具有良好的对称性,8 条边长度相等,作为辐射贴片时,8 条辐射边沿的辐射会同相叠加,形成辐射强度很高的辐射频段。对四角星结构进行切角处理后,其内部转角全部变为钝角,电流传输时的衰减大大减弱,辐射强度能得到明显的提高。卫星定位天线传输的距离很远,需要从地面穿过地球大气层与卫星进行通信,因此对窄波束定向辐射能力的要求很高。微带单极子天线具有高辐射强度和优良定向辐射工作能力,很适合作为卫星定位天线的基础结构。传统的微带单极子天线工作带宽较小,不能完全覆盖全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段,需要改进结构来增大工作带宽。多叉单极子天线是对传统的微带单极子天线的创造性改进设计,它由馈电贴片和多个辐射臂组成,每个辐射臂包含多个星形切角辐射贴片。馈电贴片和任一辐射臂都可以组成一个微带单极子天线,具有较高辐射强度和良好的定向辐射能力,整个多叉单极子天线可以看作是多个工作在不同频段的微带单极子天线叠加在一起,多个辐射频段可以融合成一个较大的辐射频段,解决了微带单极子天线工作频段较小的问题。54ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$电子产品世界Design设计应用&Application无线应用图1 多叉单极子辐射结构2 不对称阵列天线简介不对称阵列天线是一种改进型直线阵列天线,其阵元天线是结构相似,但是尺寸结构有所区别的天线结构。使用不对称阵列天线可以在利用组阵提高天线辐射强度的同时,利用阵元天线的不对称性,让多个阵元天线工作在不同频段,利用频率叠加效应来拓展天线的工作频段。3 天线结构设计PEEK（聚醚醚酮）材料是一种特种工程塑料,具有耐腐蚀、高频高压电性能好、电绝缘性能好等特 点11-17,在 3D 打印行业中得到了越来越广泛的应用,可以通过 3D 打印技术被制作成各种无线通信终端设备的外壳。PEEK 材料具有对射频信号的损耗较小,能够满足卫星定位天线对基质材料的要求。天线尺寸为 35 mm20 mm1 mm,使用介电常数为 5 的聚醚醚酮基板作为介质基板。天线辐射贴片结构如图 2 所示。天线辐射贴片由两个不对称的多叉单极子天线组成,微带单极子天线结构保证了天线具有较大的辐射强度和优异的定向辐射能力,星形切角辐射贴片组成的多个辐射臂保证了天线具有良好的宽频带工作能力,不对称阵列结构进一步拓展了天线的工作带宽。图2 天线辐射贴片结构4 天线辐射性能测试我们使用 3D 打印技术制作了天线样品,使用矢量网络分析仪和 OATS 系统对天线的辐射性能和方向性能进行了实际测试,结果如图 3 图 5 所示。该款天线的工作频带范围为（1.098-1.792）GHz,工作带宽为 0.694 GHz,天线谐振频率为 1.30 GHz,天线的最低 S11是-27.62 dB。该款天线完全覆盖了全球定位系统的（1.164 1.577）GHz 工作频段和北斗卫星导航系统的（1.204 1.564）GHz 工作频段。天线的方向图的最大增益为 15.25 dB,E 面和 H 面副瓣和后瓣都较小,天线辐射能量很集中,定向辐射能力优异。图3 天线辐射性能实测结果 2023.3电子产品世界设计应用Design&Application无线应用图4 天线E面方向图实测结果图5 天线H面方向图实测结果5 结束语本文针对两种卫星定位系统对定位天线的性能要求,创造性地将星形切角辐射贴片、微带单极子天线、多叉单极子天线、不对称阵列天线相结合,设计了一款用于卫星定位的多叉单极子阵列天线。在设计中,使用多个星形切角辐射贴片组成多个辐射臂,再与馈电贴片相结合组成多叉单极子天线,保证天线基本辐射结构兼具高辐射强度、优良定向辐射工作能力和宽频带辐射工作能力,使用不对称阵列天线结构进一步增强了天线的带宽性能。天线样品实测结果表明,该款天线具有良好的窄波束单方向辐射工作性能,能够完全覆盖全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段,并具有较大性能冗余,有望在卫星定位设备中得到大规模使用。参考文献：1 SHEN H,ZONG Q,HACHEN L,et al.A distributed approach for lidar-based relative state estimation of multi-UAV in GPS-denied environments J.Chinese Journal of Aeronautics,2022,35(1):59-69.2 KRASUSKI K,WIERZBICKI D.New methodology for computing the aircrafts position based on the ppp method in GPS and glonass systems J.Energies,2021,14(9):2525.3 YANG 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Manufacturing,2021,149:106532.(下转第62页)62ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$电子产品世界Design设计应用&Application通信设计AB(3:3)(2:4)图2 用户隔离频带划分范围如图 2 所示,使用的信号范围调整后的用户,没有干扰跨隙的阴影部分,只有当用户是圆的中心,B,可控信号干扰,接收信号的强度可以通过不断调整调整点A 和 B 之间的距离满足设计的方法基于跨隙铁路中继通信系统的干扰抑制。2 对比实验分析为了验证本文设计方法的实用性,对铁路运行中基站接收到的信号数进行同时多次检测。首先设置 5 000个信号数据,在固定的时间内同时传输信息。采用传统的交叉隙抑制方法对信号进行接收和识别。采用本文设计的基于铁路干线通信系统的交叉隙干扰抑制方法对相同的步骤进行再检测。实验都在同一个基站进行。进行3 组数据比较,设置正常组和实验组,并提供反馈数据。分析结果如下表 1 所示。表1 对比试验数据实验组第1次信号识别次数第2次信号识别次数第3次信号识别次数传统组3 3263 0153 659改进组 4 3894 5734 417通过比较两种方法对信号识别次数的比较,可以得出在同一条铁路干线通信系统下,经过多次数据比较,本文设计了基于铁路干线通信系统的跨隙干扰抑制方案。该方法比传统方法具有更高的信号识别率,识别率提高了约 10%。3 结束语本文通过研究铁路干线通信系统的跨隙干扰抑制方法,利用设置隔离带计算信号传输设备的功率与距离之间的关系。与其他方法相比,本文的设计方法针对较大的使用范围,且数据传输的损失也很小。未来该方法的应用还需要不断优化,这将为未来铁路通信业的优化提供支持。参考文献：1 严颖,王宝杰,卢红,等.基于周期性模型的高速铁路大型车站利用能力及运营组织研究J.铁路学报,2017,39(5):11-18.2 徐坤,蒋小平,程聪,等.金华-宜武-东阳地铁轨道交通项目及现有铁路交叉节点方案研究J.铁路勘测设计,2017(3):45-48.3 王志东,温培波,陶燕,等.交叉、平行线等特殊断面的GSM-R系统方案研究J.铁路通信信号工程技术,2018,15(10):41-44.4 周杨凡,王颖,魏伟,等.考虑运行图约束的有轨电车干线信号协调优化模型J.运输系统工程与信息,2018,18(2):73-79.5 蒋锦富,李成贤,张燕南,等.高速铁路下城市轨道交通施工中隔震桩的必要性J.城市建设理论研究(电子版),2018,262(16):136-145.(上接第55页)14 ZHENG J,ZHAO H,DONG E,et al.Additively-manufactured PEEK/HA porous scaffolds with highly-controllable mechanical properties and excellent biocompatibility J.Materials Science and Engineering C,2021(2):112333.15 LGEY M,GRLER O,CK GUNDUZ.Effects of laser modalities on shear bond strengths of composite superstructure to zirconia and PEEK infrastructures:an in vitro study J.Odontology,2021(4):1-9.16 KANG H,QI L,DANG H,et al.Biaxial tensile failure of short carbon-fibre-reinforced PEEK composites J.Composites Science and Technology,2021,208(16):108764.17 HIRAKI K,MIZOBE K,MATSUEDA T,et al.Friction coefficient and wear of PEEK-PTFE hybrid radial ball bearings under dry conditionsJ.Materials Science Forum,2021,1020:114-119.