卫星通信及导航系统的圆极化天线及其阵列技术的研究

发布时间：2020-09-14 11:57

　　随着卫星导航技术以及卫星通信技术的发展,对电子设备的性能的要求也越来越高。天线作为通信及导航系统中的一个关键设备,其性能直接影响着系统的运行。天线的宽频带、宽波束、小型化等一直都是系统的关键技术,也是研究热点。本文结合课题需求,对实现圆极化天线的一体化工作、宽波束、小型化、宽带化以及宽带阵列天线赋形等技术进行了研究,并结合应用设计了多款通信及导航系统的圆极化天线单元及阵列。本文的研究内容由以下四部分组成:一、研究了展宽天线半功率波束宽度以及天线一体化工作的相关技术,并根据某应用平台的通信系统要求,设计了可以覆盖六个频段的三组宽波束圆极化天线。(1).分析了各个频段天线工作的极化方式以及辐射遮挡影响,确定了天线的组合以及布局形式;然后,根据最低频率的UHF卫通天线的指标要求以及安装环境,对比了双频内外嵌套式四臂螺旋天线以及共面双臂螺旋天线的优缺点,最终选择内外嵌套式的四臂螺旋天线作为辐射单元,并设计两个双层的小型化功分器作为天线的馈电网络;(2).设计了一组L/S频段的复合天线,二者皆为左旋圆极化,设计出了四馈的上下放置分布式天线,天线的旋向与极化的旋向相同,采用此种的天线形式可极大的降低天线的剖面高度,但是此种天线的波束宽度较窄,因此将上层天线的金属支撑改为锥台型,从而实现展宽波束宽度的目的。(3).采用等角螺旋及阿基米德螺旋结合的平面天线作为辐射体,并设计了一个宽带的指数渐变线巴伦对其辐射体进行馈电,实现了在直径有限的空间下宽频带工作的目标。所设计的三组天线在所需的工作频带内驻波比都小于2,仰角25°以上增益均大于-5 dB,满足设计要求。二、研究了天线的小型化、降低剖面以及展宽带宽的技术,并根据不同导航系统以及应用平台的需求,设计了三款不同性能的圆极化天线。(1).设计了一款可以应用于北斗B3的宽波束圆极化天线,此天线巧妙的利用平行放置的对称阵子,通过计算天线轴比随阵间距的变化关系,优化阵间距使得天线获得到162°良好轴比波束宽度,通过弯折阵子进一步展宽振子的半功率波束宽度至114°;(2).设计了一款分布式高效率低剖面圆极化天线,天线的辐射体为四个加载有短路销钉的正方形金属片,由于辐射体的间距较小,属于紧耦合结构,可以使天线获得较宽的阻抗带宽,采用低损耗的串联馈电网络,使得天线在工作频带内辐射效率达到96.5%,轴比带宽为22.8%;(3).设计了一款可以覆盖北斗B3频段的小型化圆极化天线,通过采用虚短路技术实现天线的小型化以及采用电磁耦合馈电展宽天线的阻抗带宽,最终天线的尺寸为0.11λ_0×0.11λ_0×0.068λ_0。三、研究了电磁耦合馈电以及提高天线增益的技术,并设计了两款用于车载的2×2宽带圆极化阵列天线。(1).研究了现有的实现宽带圆极化工作的技术,并采用电磁耦合馈电结合宽带交叉偶极子式的天线单元;然后,设计了一个2×2的天线阵列,天线单元采用宽带的八边形振子,并采用燕尾式馈电片进行电磁耦合馈电,此天线阵列的阻抗带宽展宽至57.1%,在此阻抗带宽轴比均小于0.75 dB;(2).设计了一个高增益的2×2的天线阵列,天线单元采用宽带的椭圆形振子,并采用鱼叉式馈电片进行电磁耦合馈电,在阵列的外围加载了一个环形反射腔,通过增加天线的有效辐射面积,使得天线阵列增益大于10 dBic的带宽增加至55.2%。四、研究了阵列天线的宽带赋形技术,并根据伽利略导航系统设计了可以覆盖其工作频段的星载阵列天线。首先,设计了一款宽带的圆极化天线,可以覆盖伽利略导航系统的三个工作频段;然后,利用遗传及粒子群混合算法对一个阵列天线进行了阵列综合,并实现了所需的方向图指标要求;根据算法优化出的幅度相位分布设计了一个宽带移相网络;最后,加工并测试了阵列天线样机,其结果验证了此阵列综合方法具有可行性。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN828
【部分图文】：

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西安电子科技大学博士学位论文4图1.2 卫星星座示意图由于终端用户在定位过程中，仅需接收发射机发射的信号，而无需主动发射信号即可确定终端位置，因此，系统的用户数目是没有限制的，同时导航系统的这一优势也降低了终端的成本，有利于导航系统的普及。时至今日，全球卫星导航系统主要由四大导航系统组成，包括美国的 GlobalPositioningSystem（GPS）系统、俄罗斯的 GLONASS 系统、欧盟的 Galileo 系统和中国的北斗卫星导航（CNSS）系统[2]。其中，中国的北斗卫星导航系统的研发起步虽晚但发展迅速，其目前已发射 35 颗北斗导航卫星，其星座包含 5 颗地球静止轨道卫星和 30 颗距地球表面 21150km 的中高度地球轨道卫星

辐射方向图,辐射方向图

对于卫星通信以及导航天线，天线的增益和辐射方向图是衡量其性能优劣的重要指标。图 1.3 给出了导航天线所需的理想的辐射方向图。图1.3 导航天线的理想辐射方向图如图 1.3 所示，为了接收到更多卫星信号，以及保证信号的稳定性，要求卫星导航天线的辐射方向图在理想情况下为一个扇形，其中 θc称为截止角度。在角度 0<θ<θc范围内，天线增益应尽可能高，一般情况下需满足右旋圆极化增益大于-10dBic 或轴

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(c) (d)（e）图1.4 文献[13]-[17]中的天线结构示意图② 采用十字交叉偶极子天线或者改变地板以及腔体的形状：十字交叉偶极子因其工作频带宽、结构简单以及波束宽度易于展宽，被广泛应用于卫星通信及导航系统。近年来，为了提高这种天线类型的波束宽度，学者们对十字交叉对称振子天线的做了很多研究[30]-[42]。改变天线的腔体或者地板的结构也是展宽波束宽度的一种有效方式。因此，学者将此类方法应用于多种天线上，从而实现展宽波束宽度的目的[43]-[46]。

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