小型化GPS錐面共形天線陣的研制

1 引言

在航空器、導(dǎo)彈等高速飛行器上，全球定位系統(tǒng)GPS是不可或缺的組件，它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、監(jiān)測(cè)、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。而在GPS系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中,天線成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動(dòng)力性能，又不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優(yōu)點(diǎn)的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應(yīng)用。

目前，對(duì)于錐面共形天線陣的研究報(bào)道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對(duì)于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長(zhǎng)。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長(zhǎng)，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會(huì)急劇惡化，輻射特性也會(huì)有劇烈的起伏，極不穩(wěn)定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設(shè)計(jì)中的核心問題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設(shè)計(jì)出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時(shí)提高了天線的性能。

2 設(shè)計(jì)要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺(tái)上，錐臺(tái)上底面圓周長(zhǎng)約為0.26λ₀（λ₀為天線中心頻率的波長(zhǎng)），下底面圓周長(zhǎng)約為0.67λ₀，錐臺(tái)母線長(zhǎng)H約為0.24λ₀，工作頻率為_f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經(jīng)分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結(jié)構(gòu)，陣元弧面間距僅為0.25λ₀，遠(yuǎn)小于天線工作頻率的半波長(zhǎng)，陣元間耦合強(qiáng)烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化，保證中心頻率并穩(wěn)定天線輻射性能成為首要設(shè)計(jì)要求。

圖1 天線安裝錐臺(tái)示意圖

3 理論分析與設(shè)計(jì)

本文先利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元，并對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3.1 天線單元的分析與設(shè)計(jì)

在天線的設(shè)計(jì)中考慮到安裝平臺(tái)的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數(shù)柔性介質(zhì)基片，介質(zhì)厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為^[5]：

（1）

（2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×10⁸m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長(zhǎng)量，可由下式求得:

（3）

er為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)決定，可由下式求得:

（4）

圖2 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖