用于衛(wèi)星定位的多叉單極子陣列天線設(shè)計*

*福建省自然科學(xué)基金項目,項目編號：2020J01039；漳州市科技計劃項目，項目編號：ZZ2020J04

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是人類20 世紀最偉大的發(fā)明創(chuàng)造之一，它依靠多顆定位衛(wèi)星和數(shù)量龐大的地面終端設(shè)備共同實現(xiàn)高精度的全球定位。目前最成熟最有應(yīng)用潛力的定位系統(tǒng)是由美國主導(dǎo)研發(fā)設(shè)計的全球定位系統(tǒng)和中國自主研發(fā)設(shè)計的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

衛(wèi)星定位天線是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的重要組成部分，對衛(wèi)星定位的精度和定位有效距離有著決定性的影響。全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星定位天線需要完全覆蓋（1.164 ～ 1.577）GHz 頻段^[1-6]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星定位天線需要完全覆蓋（1.204 ～ 1.564）GHz工作頻段^[7-10]。合格的衛(wèi)星定位天線需要同時兼容全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，并能滿足輻射強度高、工作帶寬大、有充足性能冗余、輻射能量集中、能夠窄波束定向輻射等要求。

1 多叉單極子天線簡介

多叉單極子天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該天線的基本輻射單元是星形切角輻射貼片，它由四角星經(jīng)過切角處理得到。四角星結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，8 條邊長度相等，作為輻射貼片時，8 條輻射邊沿的輻射會同相疊加，形成輻射強度很高的輻射頻段。對四角星結(jié)構(gòu)進行切角處理后，其內(nèi)部轉(zhuǎn)角全部變?yōu)殁g角，電流傳輸時的衰減大大減弱，輻射強度能得到明顯的提高。衛(wèi)星定位天線傳輸?shù)木嚯x很遠，需要從地面穿過地球大氣層與衛(wèi)星進行通信，因此對窄波束定向輻射能力的要求很高。微帶單極子天線具有高輻射強度和優(yōu)良定向輻射工作能力，很適合作為衛(wèi)星定位天線的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的微帶單極子天線工作帶寬較小，不能完全覆蓋全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，需要改進結(jié)構(gòu)來增大工作帶寬。多叉單極子天線是對傳統(tǒng)的微帶單極子天線的創(chuàng)造性改進設(shè)計，它由饋電貼片和多個輻射臂組成，每個輻射臂包含多個星形切角輻射貼片。饋電貼片和任一輻射臂都可以組成一個微帶單極子天線，具有較高輻射強度和良好的定向輻射能力，整個多叉單極子天線可以看作是多個工作在不同頻段的微帶單極子天線疊加在一起，多個輻射頻段可以融合成一個較大的輻射頻段，解決了微帶單極子天線工作頻段較小的問題。

圖1 多叉單極子輻射結(jié)構(gòu)

2 不對稱陣列天線簡介

不對稱陣列天線是一種改進型直線陣列天線，其陣元天線是結(jié)構(gòu)相似，但是尺寸結(jié)構(gòu)有所區(qū)別的天線結(jié)構(gòu)。使用不對稱陣列天線可以在利用組陣提高天線輻射強度的同時，利用陣元天線的不對稱性，讓多個陣元天線工作在不同頻段，利用頻率疊加效應(yīng)來拓展天線的工作頻段。

3 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

PEEK（聚醚醚酮）材料是一種特種工程塑料，具有耐腐蝕、高頻高壓電性能好、電絕緣性能好等特點^[11-17]，在3D 打印行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，可以通過3D 打印技術(shù)被制作成各種無線通信終端設(shè)備的外殼。PEEK 材料具有對射頻信號的損耗較小，能夠滿足衛(wèi)星定位天線對基質(zhì)材料的要求。

天線尺寸為35 mm×20 mm×1 mm，使用介電常數(shù)為5 的聚醚醚酮基板作為介質(zhì)基板。天線輻射貼片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)

天線輻射貼片由兩個不對稱的多叉單極子天線組成，微帶單極子天線結(jié)構(gòu)保證了天線具有較大的輻射強度和優(yōu)異的定向輻射能力，星形切角輻射貼片組成的多個輻射臂保證了天線具有良好的寬頻帶工作能力，不對稱陣列結(jié)構(gòu)進一步拓展了天線的工作帶寬。

4 天線輻射性能測試

我們使用3D 打印技術(shù)制作了天線樣品，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和OATS 系統(tǒng)對天線的輻射性能和方向性能進行了實際測試，結(jié)果如圖3~ 圖5 所示。

圖3 天線輻射性能實測結(jié)果

圖4 天線E面方向圖實測結(jié)果

圖5 天線H面方向圖實測結(jié)果

該款天線的工作頻帶范圍為（1.098-1.792）GHz，工作帶寬為0.694 GHz，天線諧振頻率為1.30 GHz，天線的最低S11 是-27.62 dB。該款天線完全覆蓋了全球定位系統(tǒng)的（1.164 ～ 1.577）GHz 工作頻段和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的（1.204 ～ 1.564）GHz 工作頻段。

天線的方向圖的最大增益為15.25 dB，E 面和H 面副瓣和后瓣都較小，天線輻射能量很集中，定向輻射能力優(yōu)異。

5 結(jié)束語

本文針對兩種衛(wèi)星定位系統(tǒng)對定位天線的性能要求，創(chuàng)造性地將星形切角輻射貼片、微帶單極子天線、多叉單極子天線、不對稱陣列天線相結(jié)合，設(shè)計了一款用于衛(wèi)星定位的多叉單極子陣列天線。在設(shè)計中，使用多個星形切角輻射貼片組成多個輻射臂，再與饋電貼片相結(jié)合組成多叉單極子天線，保證天線基本輻射結(jié)構(gòu)兼具高輻射強度、優(yōu)良定向輻射工作能力和寬頻帶輻射工作能力，使用不對稱陣列天線結(jié)構(gòu)進一步增強了天線的帶寬性能。天線樣品實測結(jié)果表明，該款天線具有良好的窄波束單方向輻射工作性能，能夠完全覆蓋全球定位系統(tǒng)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，并具有較大性能冗余，有望在衛(wèi)星定位設(shè)備中得到大規(guī)模使用。

參考文獻：

[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 aircraft's position based on the ppp method in GPS and glonass systems [J]. Energies, 2021, 14(9):2525.

[3] YANG S, ZHANG Q, ZHANG X, et al. Impact of GPS/ BDS satellite attitude quaternions on precise point positioning with ambiguity resolution [J]. Remote Sensing,2021, 13(15):3035.

[4] SUH U S, LEE C S, KIM T W, et al. A conceptual design of aided localization sensor for inspection UAV under Non-GPS environment [J].Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, 2021, 70(3):526-534.

[5] WU Z, LI Y, WANG X, et al. Mining factors affecting taxi detour behavior from GPS traces at directional road segment level [J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2021, vol.99:1-11.

[6] GACKOWIEC P, BRZYCHCZY E, KSEK M. Enhancement of machinery activity recognition in a mining environment with GPS data [J]. Energies, 2021, 14(12):3422.

[7] SUI X, ZHOU W. A position-coding terminal device for ships based on Beidou navigation satellite system [J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2021, 693(1):012043.

[8] HU B, LI G, CUI W, et al. Research on location convergence method based on Beidou navigation system satellite menhancement [J]. Journal of Physics Conference Series, 2021,1961(1):012008.

[9] CAO X, SHEN F, ZHANG S, et al. Time delay bias between the second and third generation of Beidou navigation satellite system and its effect on precise point positioning [J]. Measurement, 2020:108346.

[10] YANG C H, ZHANG Y S. Research on the architecture of iot middleware platform based on Beidou navigation satellite system-science direct [J]. Procedia Computer Science, 2020, 166:46-50.

[11] CHON J W, YANG X, LEE S M, et al. In Vivo evaluation of PEEK copolymer composites for prosthetic spine [J].Macromolecular Research, 2021, 29(3):244-251.

[12] SCHNAKE K J, FLEITER N, HOFFMANN C, et al. PLIF surgery with titanium-coated PEEK or uncoated PEEK cages: a prospective randomised clinical and radiological study[J]. European Spine Journal, 2021, 30(1):114-121.

[13] RODZEN K , H A R K I N E , WEGRZYN M , e t a l . Improvement of the layer-layer adhesion in FFF 3D printed PEEK/carbon fibre composites [J]. Composites Part A Applied Science and Manufacturing, 2021, 149:106532.

[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 conditions[J]. Materials Science Forum,2021, 1020:114-119.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年3月期）