用于双频精确导航的新型贴片天线研究

作     者：刘明建 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林福民

授予年度：2018年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：精确卫星导航系统 双宽频圆极化 电容耦合馈电 四分八馈电线路 

摘      要：随着各代无线通信技术的深度变革与演化,加之第五代移动通信技术（5G）迅猛发展,通信信息时代将迈向一个新的高度,同时也要迎接更多的挑战。而卫星导航技术作为通信领域的重要分支,其应用也开始从早期的军事应用逐步普及发展到人们日常生活的方方面面,比如近几年导航地图、送餐外卖、路段预警等服务,蓄势而起的“导航技术已俨然成为居家出门必备的技能之一。高精度测量型导航天线作为高精度卫星导航接收机系统的关键着眼点,其性能的优劣直接影响到整个导航系统的定位和授时精度,因此如何设计一款精良、精巧、精确的导航天线一直是业界共同关注的话题。目前世界上比较成熟的导航系统有GPS、GLONASS、GALILEO、北斗等四大系统,而每一个导航系统都分别有L1和L2两个工作频段,但频率有所不同,因此要设计一款覆盖四大导航终端的高精度天线就必须要求有足够宽的辐射带宽和较高的增益,这也是业界广泛关注并亟待解决的问题。贴片天线由于其体积小、易共形、剖面低和多径效应等优点,被广泛应用于如GPS、北斗等导航终端。本文设计了两款双宽频圆极化贴片天线,其中一款是由单层辐射贴片组成的双宽频圆极化天线,能够广泛应用于精确导航天线。该双频辐射设计是有内层十字形贴片和外层环形贴片共同组成,这两个微带贴片都各自作为单频段圆极化辐射器工作,四个金属柱垂直设置在十字形贴片的边缘正下方位置,底部与地相连,与该贴片形成电容耦合以降低谐振频率,满足精确卫星导航的需求。馈电结构方面,采用一种新型的电容耦合馈电方式来实现阻抗匹配,两个辐射单元由位于贴片下方的四个金属盘同时激发并通过微带线与四点正交混合网络相连。仿真和实验结果表明,所提出的天线可以产生双宽带圆极化辐射,并且还可以观察到较低的后向辐射水平。两个频段的性能指标为L1:1.145-1.299GHz,带宽155 MHz,增益4.0 dB,L2:1.557-1.654 GHz,带宽97 MHz,增益3.98dB。两频段的最大增益稍低,但双频低噪声放大器的较高增益可以补偿无源天线的较低增益,使有源天线的总增益满足精确导航终端的需求。因此,所提出的单层贴片天线具有良好的应用前景,尽管其在双频带中的增益略低。由于增益等因素的限制,不能满足覆盖四大导航系统的终端需求,固设计了另外一款基于新馈电结构的双层贴片组成的双频宽带圆极化天线。该双层贴片天线采用了一种四分八馈电线路,将八个同轴馈电探针两两相连的方式,将两路天线馈电信号合为一路,有效简化了馈电网络的复杂性,同时保证了天线辐射的增益,带宽和轴比性能。该双频辐射贴片单元采用正八边形层叠式结构设计,并在每个天线单元边缘对称添加两组矩形调谐单元,有效增加了天线辐射的波束带宽。设计结果表明,该双频天线单元在高频1.482 GHz-1.617 GHz（波束带宽155 MHz）和低频1.191GHz-1.252 GHz（波束带宽61 MHz）频段范围内,都能保证良好的辐射增益。高低频的3 dB轴比带宽为-130°-130°,具备良好的圆极化性能。经实物样机对比测试分析,实测结果与仿真结果基本吻合。本文设计的两款天线,一款在小型化应用上实现了突破,只用单层基板就实现了双频圆极化辐射,结构上使用内嵌技术和利用终端短路的同轴腔原理增加耦合电容实现降频技术,并提出了一种新型电容馈电的形式实现双频段阻抗匹配。另一款采用层叠式贴片结构,并设计了四点耦合式新型馈电网络,满足覆盖四大导航系统小型化双频有源天线的要求,为后续研究提供了先验基础,并能广泛应用于导航系统。