宽轴比波束双频带北斗导航天线设计.pdf

本文网址：http:/www.ship- J.中国舰船研究,2024,19(2):245251.DENG Z L,YIN W L,DU F,et al.Design of double band Beidou navigation antenna with wide axial ratio beamJ.Chinese Journal of Ship Research,2024,19(2):245251(in both Chinese and English).宽轴比波束双频带北斗导航天线设计扫码阅读全文邓卓林1，尹文禄2，杜奋2，李高升*11 湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 4100822 盲信号处理国家级重点实验室，四川 成都 610041摘 要:目的目的为了有效拓宽北斗天线 3 dB 轴比波束宽度，提出一种加载寄生单元的开槽叠层微带贴片天线。方法方法通过叠层基板结构实现北斗双频带特性，并通过开槽拓宽双频段带宽，在贴片边缘切角实现双频带圆极化；同时在贴片周围加载 L 形寄生单元来拓宽天线的 3 dB 轴比波束宽度。结果结果实测和仿真结果吻合度较高，在北斗 B1 和 B2 频段的相对带宽为 3%和 7.5%；3 dB 轴比波束宽度可达到 180和 176；增益最高可达 6 dBi。在北斗接收机试验中，天线搜星数量能达到 17 颗以上，定位精度在米级以内。结论结论所设计的双频带北斗导航天线具有宽轴比波束宽度和高定位精度，研究结果可为小型北斗导航天线的设计提供参考。关键词：北斗导航天线；双频带；轴比波束宽度；寄生单元；叠层中图分类号:U666.14文献标志码:ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.03203 Design of double band Beidou navigation antenna with wide axial ratio beamDENG Zhuolin1,YIN Wenlu2,DU Fen2,LI Gaosheng*11 College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China2 National Key Laboratory of Blind Signal Processing,Chengdu 610041,ChinaAbstract:ObjectivesIn order to effectively broaden the beam width of the 3 dB axis ratio of a Beidou an-tenna,this paper proposes a slotted laminated microstrip patch antenna loaded with parasitic elements.MethodsThe Beidou dual frequency band feature is realized through a two-layer substrate structure.Thebandwidth is widened by slotting.Circular polarized radiation is achieved by cutting corners at the edge of thepatch.At the same time,L-shaped parasitic elements are loaded around the patch to broaden the 3 dB axial ra-tio beam width of the antenna.ResultsThe measured and simulated results are in good agreement.The rel-ative bandwidths of the antenna in the Beidou B1 and B2 bands are 3%and 7.5%.The beam width of the 3 dBaxis ratio can reach 180 and 176,and the maximum gain can reach 6 dBi.In the Beidou receiver test,thenumber of antenna satellites can reach more than 17,and the positioning accuracy is within meters.ConclusionsThis paper proposes and validates a high-precision positioning dual band Beidou navigationantenna with wide axis ratio beam width.The results can provide references for the design of small Beidounavigation antennas.Key words:beidou navigation antenna；dual band；axial ratio beam width；parasitic unit；multi-store 0 引言我国在 2020 年正式开通了北斗三号卫星导航系统，标志着我国全球导航卫星系统（globalnavigation satellite system,GNSS）正式完善。北斗系统为舰船自主导航定位提供了高精度技术手收稿日期:20221206 修回日期:20230308 网络首发时间:20230407 14:22基金项目:国家重点研发计划资助项目（2021YFC2203503）作者简介:邓卓林，男，1998 年生，硕士生。研究方向：天线理论与技术。E-mail：尹文禄，男，1980 年生，博士，高级工程师。研究方向：天线、信号处理技术，电磁防护，电波传播等杜奋，男，1984 年生，硕士，工程师。研究方向：空基信号接收系统总体设计，电磁信号接收技术等李高升，男，1980 年生，博士，教授。研究方向：天线理论与技术，电磁兼容与防护技术。E-mail：*通信作者:李高升 第 19 卷 第 2 期中 国 舰 船 研 究Vol.19 No.22024 年 4 月Chinese Journal of Ship ResearchApr.2024段，在广阔的海洋上，北斗天线定位系统可视为船舶的眼睛。因此，导航天线属于船舶的重要器件之一。北斗系统上加载的多为圆极化天线，因为其具有能减弱法拉第效应、抑制多径干扰和提高系统稳定性的优点1。北斗系统的更新迭代对加载的北斗天线提出了更高要求，如天线要能在双频2甚至多个北斗频段内工作。在此背景下，多种双频圆极化天线被提出。在双频圆极化天线设计中，最为有效的方法是通过堆叠贴片来实现多频工作，再通过切角、开槽或者多馈点法来实现圆极化辐射3-6。展宽 3 dB 轴比波束宽度能使天线在更大角度范围内接收导航卫星信号，保证船舶在海面上倾斜摇晃的情况下仍能正常稳定地接收到卫星信息，获得准确的定位服务7。拓宽圆极化天线的轴比波束宽度常见方法包括：利用金属背腔7来重新融合塑造辐射波束，或者通过调节辐射贴片的尺寸来优化轴比波束宽度8等等。但这些方法容易造成天线原本带宽不够宽且增益较低的问题。本文采用简单的同轴馈电，通过叠层设计，在贴片边缘对角切角和开边缝的方式来实现双频的圆极化辐射9-10。在贴片中心开矩形槽改变辐射单元的特性阻抗，从而实现阻抗匹配并拓宽阻抗带宽。同时，在上层贴片上加载 L 形寄生单元来引导贴片电流，在低仰角处实现圆极化辐射，从而拓宽天线的 3 dB 轴比带宽。1 天线设计 1.1 天线设计原理叠层2,11双频天线的原理在于底层贴片负责低频段的辐射，顶层的贴片负责高频段的辐射，天线的谐振频率由天线辐射贴片的尺寸以及介质基板的介电常数来近似决定，计算公式如下。W=c2f(r+12)12(1)r式中：W 为贴片宽度；c 为光速；f 为中心频率；为介质基板的介电常数。为了解释天线形成圆极化的原理，天线等效电路原理如图 1 所示。其中，Zin为天线输入阻抗；R 为传输线阻抗；L1，C1和 R1表示模式 1 的等效电感、电容和电阻值，模式 2 同理。对天线切角即对天线进行适当的扰动，从而产生两个简并模式（模式 1 和模式 2），这两种模式应当具有相等的振幅和正交相位，理论上，当满足以下条件时，可实现圆极化辐射：EE=+90，LHCPEE=90，RHCP(2)EE式中：是模式 1 电场的相位值；是模式 2 电场的相位值，他们相差 90或90，可实现左旋或右旋圆极化；LHCP（left-handed circular polarization）为左旋圆极化辐射；RHCP（right-handed circularpolarization）为右旋圆极化辐射。RL2L1C2C1R2R1模式 1模式 2Zin图 1等效 RLC 电路Fig.1 Equivalent RLC circuit 图 2 和图 3 展示了贴片有无切角的电流分布，以便读者更好地理解切角所形成的模式 1 和模式 2 电流。图 2（a）和图 2（b）分别为 0和 90的无切角贴片表面电流分布，可以看到两图中的电流方向不是正交的，因此无法形成圆极化波。图3（a）和图 3（b）分别为切角后的贴片在 0和 90的表面电流分布，可以看到切角后的贴片在 0和 90的表面电流方向是正交的，这表明切角使得在1 575.42 MHz 这个频点上，贴片表面形成了两种正交的模式电流，即图 1 中的模式 1 和模式 2 且电流方向符合右手定则，可形成右旋圆极化辐射。本文通过切割方形贴片的对角来实现两个简并模的 90相差，实现北斗 B1 和 B2 频段的右旋圆极化辐射，同时外加 L 形寄生单元来实现宽轴比波束宽度的稳定圆极化辐射。1.2 天线结构设计天线结构设计如图 4 所示，图 4（a）展示了天(b)贴片为 90(a)贴片为 0图 2贴片在 1 575.42 MHz 时无切角的电流分布Fig.2 Current distribution of 0 and 90 without chamfer at1 575.42 MHz246中 国 舰 船 研 究第 19 卷线的结构示意图，图 4（b）从侧面展示了天线的分层结构立体图，天线共分为上下两层，两层介质板采用的均是介电常数为 4.4 的 FR-4 材料，下层高度为 h1=3 mm，上层高度为 h2=1.6 mm。下层贴片通过在中间开矩形槽来实现阻抗匹配，通过合适的切角来产生在 1 176.45 MHz 频点的两种正交电流模式，实现圆极化辐射。上层贴片同样选取合适的切角来实现在 1 575.42 MHz 的圆极化辐射，并在对角加载了两条 L 形寄生单元，引导电流和调控阻抗，在高频段起到调谐作用。两层贴片通过在贴片边缘开缝来拓宽所在谐振频点的带宽，两层贴片共用一根同轴馈电，下层贴片通过耦合馈电，在板上开隔离环以避免内芯与下层贴片接触，同时同轴内芯连接到上层贴片直接馈电。天线的尺寸在图 4（a）中标注。其中，L 和L1为底层和上层的介质基板的宽度；L2为上层贴片的宽度；L3和 W5为 L 形寄生单元的尺寸；L4和L5为贴片边缘开槽的长度；L6，L7以及 W1，W2为上下层贴片中间矩形槽的尺寸；k1和 k2为上下两层贴片对角的切角的长度；d 为馈电点距离上层贴片最外围的距离。具体数值如下：L=80 mm，L1=61 mm，L2=45.5 mm，L3=25.5 mm，L4=22 mm，L5=14 mm，L6=12 mm，L7=10 mm；W1=3 mm，W2=4 mm，W3=2 mm，W4=3 mm，W5=3 mm，W6=1.5 mm；k1=12 mm，k2=7 mm；d=11 mm。2 结构参数对天线性能的影响通过对贴片天线的研究，对贴片进行开槽和切角，会影响天线的各项性能，包括 S11、轴比（axialratio,AR）和波束宽度等。本文通过 CST 电磁时域仿真软件进行大量的仿真分析，得到影响文中天线性能的因素，主要包括：贴片中间矩形槽的宽度 W1，贴片边缘开槽的长度 L4和 L5，贴片对角切槽的长度 k1和 k2以及 L 形寄生单元。2.1 矩形槽及边缝对天线S11的影响矩形槽的宽度直接影响了天线的阻抗匹配，进而导致 S11的改变。本文对 W1进行了 3 组数据分析。如图 5 所示，W1的变化引起了高频谐振点的偏移和谐振深度。随着 W1减小，谐振点往高频偏移，且谐振深度加深；在 W1=3 时，谐振点在北斗 B1 频点附近，且谐振深度达到10 dB 以下；W1=1 mm 时，谐振点逐渐偏移北斗 B1 频点，此时的 W1值为最优值。(a)贴片为 0(b)贴片为 90图 3贴片在 1 575.42 MHz 时有切角的 0和 90的电流分布Fig.3 Current distribution of 0 and 90 with chamfer at1 575.42 MHz(a)天线结构示意图隔离环地板(b)天线结构立体图L 形寄生单元辐射贴片馈电端口矩形槽LL1W6h2h1W5W3W1k2k1W4L5L4dL6L7W2L2L3图 4叠层天线结构图Fig.4 Structure diagram of laminated antenna 0481216202428频率/GHz1.01.11.21.31.41.51.61.71.8W1=1W1=3W1=5S11/dB图 5不同 W1对天线 S11的影响Fig.5 Effect of different W1 on S11第 2 期邓卓林等：宽轴比波束双频带北斗导航天线设计247贴片边缘开缝的长度 L4和 L5分别影响着天线低频和高频的 S11，本文同样对 L4和 L5设置了3 组数值，分析何种长度的 L4和 L5能更好地实现阻抗匹配。如图 6 所示，L4的增大使得天线的低频谐振点往右边偏移且谐振深度加深；L5的增大使得天线的高频谐振点往右边偏移且谐振深度减小。优化仿真得到两者的最合理值为 L4=22 mm，L5=14 mm。0612391518212427频率/GHz1.11.21.31.41.51.6L4=10L4=22L4=300841216202428频率/GHz1.11.21.31.41.51.61.7L5=15L5=20L5=25(a)L4 对 S11 的影响(b)L5 对S11 的影响S11/dBS11/dB图 6不同 L4和 L5对天线 S11的影响Fig.6 Effect of different L4 and L5 on S11 2.2 切角对天线轴比的影响贴片对角切槽的长度 k1和 k2影响着天线的轴比，不同切角的大小有着不同频率的轴比最小点，这意味着需要不断调试优化切角大小来实现双频点都有着最小的轴比值。由于 k1和 k2是不同贴片的切角，它们对轴比的影响是独立的。图 7中设置了 6 组不同的 k1和 k2切角组合值，通过仿真计算，得到最优结果为 k1=12 mm，k2=7 mm。此时两种简并模式的表面电流如图 8 和图 9 所示，1 575.42 MHz时，上层贴片电流在 0和 90时是正交 的；1 176.45 MHz 时，下 层 贴 片 电 流 在 0和90时也是正交的，且两个频点处的电流方向均符合右手准则，说明天线在这两个频点处实现了右旋圆极化辐射。50404535302520101550AR/dB频率/GHz1.01.21.11.31.41.51.61.7k2=7,k1=9k2=7,k1=9k2=7,k1=15k1=12,k2=5k1=12,k2=7k1=12,k2=9图 7不同 k1和 k2对天线轴比的影响Fig.7 Effect of different k1 and k2 on AR (b)90(a)0图 8上层贴片在 1 575.42 MHz 时 0和 90的电流分布Fig.8 0 and 90 current distribution of the upper patch at1 575.42 MHz (b)90(a)0图 9底层贴片在 1 176.45 MHz 时 0和 90的电流分布Fig.9 0 and 90 current distribution of the bottom patch at1 176.45 MHz 2.3 寄生单元对天线轴比波束宽度的影响为了研究 L 形寄生单元对天线轴比波束宽度的影响，设计了带 L 形寄生单元和不带 L 形寄生单元的两种天线，其他参数保持一致，并通过仿真软件对其进行分析12-13。由图 10 可知，L 形寄生单元的有无对两个频点的轴比的深度没有影响。且加载 L 形寄生单元后，天线的轴比波束宽度有了很大的提升，在低频点由原本的 120提高到了 160左右；高频点由原本的 170提升到了200，这有利于天线跟踪接收更大角度范围内的卫星信号14-15。248中 国 舰 船 研 究第 19 卷 302025151050AR/dB/()1509012060 303090060120 150带 L不带 L2520151050AR/dB/()1509012060 303090060120 150带 L不带 L(a)频率1 176.45 MHz(b)频率1 575.42 MHz图 10L 形寄生单元对天线轴比波束宽度的影响Fig.10 Influence of L-shaped parasitic unit on the AR beam widthof antenna 3 天线实测结果分析 3.1 天线暗室测试结果分析图 11 为天线的实物图，包含两块介质板和一个 SMA 接头。图 12 为天线反射系数的仿真和实测结果对比图，在低频测试结果谐振深度略低于仿真数值，与测量时的采点数量有关。测量的S11阻抗带宽在低频点和高频点处的带宽分别为 89 MHz（1 1401 229 MHz）和 41 MHz（1 5441 585 MHz），结果与仿真较为吻合。图 13 为天线的仿真和实测增益对比。结果表明，天线的增益最高可达 6 dBi，且实测和仿真结果较为吻合，偏差处与加工和测试误差有关。图 14 比较了仿真和测试的轴比带宽，可以观察到测量的轴比带宽和仿真的轴比带宽吻合良好，在低频附近的 3 dB 轴比带宽为 1.7%（1 1651 185 MHz），在高频附近的轴比带宽为1.1%（1 569 1 586 MHz），且轴比带宽都在10 dB 反射系数带宽范围之内。图 15 展示了 3 个角度的实测的轴比波束宽度，分别在低频和高频实现了 160和 200左右的轴比波束宽度覆盖。0天线暗室测试结果表明设计的天线具有较好的宽轴比波束性能。表 1 所示为本文与 5 篇近年来国内外文献在宽轴比波束天线方面的研究成果对比。设定天线波长为（其值为光速与天线中心频率之比），本文设计的天线在轴比波束宽度、阻抗带宽和尺寸等方面具有明显优势。图 11天线实物图Fig.11 Physical drawing of antenna 010515202530频率/GHz0.91.21.11.01.31.41.51.61.71.81.9仿真S11实测 S11S11/dB图 12仿真和实测 S11Fig.12 Simulated and measured S11 756432101增益/dBi频率/GHz0.91.11.01.21.31.51.71.41.61.81.9仿真增益实测增益图 13仿真和实测增益Fig.13 Simulation and measured gain 302025151050AR/dB频率/GHz1.01.11.21.31.51.71.41.61.8仿真轴比实测轴比图 14仿真和实测轴比Fig.14 Simulated and measured AR第 2 期邓卓林等：宽轴比波束双频带北斗导航天线设计249 表 1 天线性能对比结果Table 1 Comparison results of antenna performance分析对象天线尺寸/m最大相对带宽/%轴比波束宽度/()文献160000.3730.3730.0163.5180文献12002.13(diameter)0.0135.2151文献130000.530.530.0131.0156文献140000.210.210.0161.7188文献15000.368(diameter)0.1051.0173本文0000.430.430.027.5200 3.2 天线搜星测试结果分析为了检验加工天线的实际性能表现，本文根据图 16 的原理框图搭建了如图 17 所示的北斗接收机平台（GNSS 接收机），用来测试天线的搜星和定位能力。GNSS 板卡采用的是司南导航的K708高精度全频定位芯片，GNSS 信号放大器的增益约为 28 dB（北斗全频段）。实验结果如图 18 和图 19 所示。从星空图上可以看到加工天线能跟踪到 17 颗北斗卫星（图 18中数值显示为信噪比，由于购买的 GNSS 放大器性能各有差异，此数值无实际意义）。其中，B1 跟踪到 16 颗，B2 跟踪到 12 颗，表明加工的北斗导航天线具有优越的跟踪卫星能力。图 19 中给出了相关定位信息，纬度精度和经度精度都控制在米级以内，表明天线工作良好，导航定位服务良好，是一款性能卓越的北斗导航天线，具有投入导航市场的潜能。图 18搜星图Fig.18 Satellite tracking map 图 19定位结果Fig.19 Positioning results 4 结语本文设计了一款叠层双频宽轴比波束宽度北斗导航天线，天线工作在北斗的 B1 和 B2 频段，采用合适的切角和加载寄生单元的方法实现宽轴 35203025151050AR/dB/()1509012060 303090060120 15035203025151050AR/dB/()1509012060 303090060120 150(a)频率1 176.45 MHz(b)频率1 575.42 MHz=0=45=90=0=45=90图 15仿真和实测轴比波束宽度Fig.15 Simulated and measured AR beam width 北斗天线GNSS 信号放大器GNSS 解算模块USB-TTL芯片上位机图 16GNSS 接收机框图Fig.16 Principle block diagram of GNSS receiver 图 17GNSS 接收机实物图Fig.17 Picture of GNSS receiver250中 国 舰 船 研 究第 19 卷比圆极化辐射，加工实测结果与仿真结果吻合良好，并且通过搭建的北斗接收机平台检验了天线跟踪卫星能力，天线实际定位精度在米级内。综合测试结果表明，本文设计的天线是一款小体积、高性能的北斗导航天线，具有很高的工程应用价值。参考文献：杨澜.双频圆极化微带天线的研究与设计 D.南京:南京邮电大学,2018.YANG L.Research and design of dual-band circularlypolarized microstrip antennaD.Nanjing:Nanjing Univer-sity of Posts and Telecommunications,2018(in Chinese).1 徐琼,王豫,周洪澄,等.一种风车型多频贴片天线 J.微波学报,2018,34(6):4852.XU Q,WANG Y,ZHOU H C,et al.A 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