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基于北斗卫星导航系统的圆极化微带天线的设计
作者：赵芷鋆 张震 杨海峰 来源：《商情》2016年第18期
【摘要】本文以我国北斗卫星导航系统中的地面终端天线为工程应用背景，借鉴和总结了前人的研究成果，主要针对微带天线的圆极化技术和多频技术展开研究。首先详细介绍了微带天线的基本理论和分析方法，接着讨论了微带天线的圆极化实现和馈电方法。通过对多元天线的研究，设计了一种新型结构的三频天线，可以作为手持导航产品的终端天线。仿真和测试结果分析表明，本文所设计的一款天线基本满足项目的指标要求，具有一定的应用价值。 【关键词】微带 圆极化 馈电网络 一、背景
近年来，全球卫星导航系统（GNSS）在国家安全、经济及社 会发展中的作用非常显著，世界上各主要大国都竞相发展独立自主的卫星导航定位系统，几乎所有的卫星导航系统都进入了高速发展阶段。由于圆极化天线具有接收效率高、抗多径反射、抗干扰等优点，在卫星导航系统中得到了广泛应用。本文结合研究项目，对微带天线的圆极化技术、多频技术进行了深入的研究，并在此基础 上设计了三款多频卫星导航终端天线。根据单馈法实现圆极化的工作原理，并利用双层贴片叠层设计完成了一款支持北斗L/S频段的双频导航终端天线，此款天线可用于实现北斗系统的短报文通信和定位功能。使用带威尔金森功分器的双馈网络，实现天线的圆极化技术性能，成功研制了一款工作于车载系统中的三频导航终端天线。 二、微带天线的理论基础
微带天线的概念首先是在 1953 年提出来的，微带天线是辐射贴片敷在不同介电常数的介质基板上，且介质基板的厚度远小于微带天线工作波长。微带天线的介质基板底层敷以金属薄膜，作为微带天线的地板。微带天线具有高性能、小型化、易于设计等优点，使微带天线广泛应用于卫星导航和个人无线通信当中。
微带天线的带宽是指微带天线在接收卫星信号时，能够在接收频率的变化内，天线的各项指标在合理变化。天线的带宽是指天线满足一定电性能指标的工作频段范围。 三、微带天线圆极化的性质
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沿波的传播方向上看去，波的瞬时电场矢量的端点轨迹构成一个圆，具有这样的瞬时电场分量的波称之为圆极化波，由于轨迹是圆，那么也可知瞬时电场的幅度相同。左旋圆极化波是指瞬时电场矢量的端点轨迹依据左手螺旋的方向旋转。
右旋圆极化波是指瞬时电场矢量的端点轨迹依据右手螺旋的方向旋转。圆极化波具有以下重要性质：
1.任意的圆极化波都能分解为两个时间上和空间上幅度相同，相位差 90°方向正交的线极化波。
2.任意极化波都能用两个圆极化波来合成，且它们的旋向相反，例如，两个旋向相反、振幅相等的圆极化波能合成线极化波。这也表明圆极化波能够接收任意非圆极化的来波，反之，任意极化的天线可以接收圆极化辐射来波。这也正是在线极化的标签天线摆放位置不定的情况下，读写器需要实现圆极化工作的原因。
3.圆极化天线具有旋向正交性，即左旋圆极化波和右旋圆极化波具有互斥性，根据发射和接收天线之间的互易定理，辐射左旋圆极化波的天线只能接受左旋圆极化波而不接收右旋圆极化波，反之也一样。
4.当圆极化波遇到对称目标时，反射波与入射波的旋向相反。 四、馈电网络的选择
本次选择采用双馈电网络，双馈电网络的设计把一个圆极化波都可以分解为两个在空间上和时间上都正交的、等幅的线极化波，通过在辐射单元上施加两个幅度相等、相位相差90°，并且在空间上正交的线极化电场分量形成圆极化波。双馈电点激励可以抑制极化波交叉极化，所以驻波要比单馈电点天线有明显的提高，特别是阻抗特性会比单馈电点微带天线有很大提高。
双馈电点微带天线设计需要馈电网络来与两个激励相连接。在常见的设计中双馈电点微带天线的馈电网络包括威尔金森功分器、桥式电路、T 型功分器等形式，其中威尔金森功分器可以把一路输入信号的能量分成两路相等能量，因此选择威尔金森功分器作为双馈电点微带天线的馈电网络。 五、结论
由于卫星信号的脆弱性，极易受到空间噪声干扰、有意或是无意干扰等，尤其是在军事领域，卫星导航系统抗干扰成为研究热点。具有抗干扰性能的微带天线逐渐得到重视，它对整个系统抗干扰性能发挥着很大的作用。所以，具有一定能力的抗干扰的微带天线是未来卫星导航系统中天线的发展趋势。
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本论文主要完成了以下工作：
1）分析了国内外卫星导航系统的历史和发展趋势，特别是在军事领域卫星导航系统的重要性。阐述了抗干扰阵列中天线阵元的布局和微带天线性能对阵列抗干扰性能的关系，以及抗干扰微带天线研究的意义和价值。
2）详细阐述微带天线的分析方法和辐射机理，并对微带天线各性能指标做了深入的分析，对微带天线设计起到理论指导作用。并介绍了高合介质材料在微带天线中的应用现状，对今后设计者将复合介电常数材料用于制作小型化微带天线有一定的借鉴作用。
3）根据抗干扰阵列指标要求，需要设计一款能够兼容接收北斗-B1 和 GPS-L1两个不同频率段的微带天线。根据馈电点的不同方式，设计了一款单馈电点的微带天线和一款附有馈电网络的微带天线。通过对各方面因素进行衡量，最终选取单馈点微带天线作为设计方案。 4）完成微带天线加工制造之后，对微带天线进行了修正与调测。对微带天线进行了不同的环境试验。最后对微带天线进行实际环境的接收卫星实验，实现的定位要求，并能交付使用。
由于能力有限还有很多东西未能够展开：
1）对微带天线的馈电点位置进行不同形式的设计，减少天线阵元之间的互耦影响。在抗干扰阵列进行技术创新，以提高模块的抗干扰性能。
2）结合北斗-B1 和 GPS-L1 设计指标需要，将进行不同形式的设计方式。包括叠加天线的设计等，进行探讨。比较不同形式的微带天线对抗干扰的性能影响，实现北斗卫星导航天线的多元化设计和生产。
3）在现有的设计的微带天线当中，如何提高微带天线的低仰角增益、展宽微带天线的相对波束宽度，使微带天线接收卫星信号更加的精确和有效，对介质材料的选择、微带天线的辐射面的设计等因素都要有新的研究和尝试，是下一步研究工作的方向。