应用于卫星导航系统的微带天线设计

论文摘要

自20世纪70年代中期以来，微带天线的理论得到极大发展，因微带天线结构紧凑、体积小、重量轻、剖面低、易制造等特点而受到人们的青睐。而圆极化微带天线综合了微带天线的众多优点，而且圆极化波自身也存在一些特点，如圆极化波能够抑制雨雾干扰、抗多径反射、具有更好的移动性等特点，因此圆极化被广泛应用于雷达、导航、卫星等系统中。卫星导航对通信、军事、交通、广播、娱乐等行业都做出了巨大的贡献，因此研究卫星导航已经非常有必要。天线作为卫星导航系统的重要组成部分，天线性能直接影响接收机的性能和灵敏度，因此对天线性能提出了更高要求，而天线的小型化对于整个系统来说是发展的必然趋势。在卫星导航设备的各种应用场合中，在保证精度同时，希望设备既小又轻，因此设备的小型化就显得极其重要了。我国今后的卫星系统应具有更小的尺寸以及更高的集成度。本文结合理论基础和电磁仿真软件HFSS，设计了一款应用于卫星导航系统的圆极化微带天线，其工作频段在24915MHz，极化方式为右旋圆极化。通过对圆形贴片对称开槽，以及对贴片的边进行切角处理和在中心处开孔等方式，天线获得良好的圆极化性并实现了小型化。对于单馈点圆极化微带天线，其原理是贴片上的矩形缝隙激励起幅度相等和相位相差900的简并模，从而就可以实现圆极化。通过调整贴片四边的切角深度和圆槽半径以实现天线小型化，其原理是通过在辐射贴片上开槽或者改变辐射贴片边缘的形状结构，从而引入微扰使表面电流曲折流动，电流有效路径变长，谐振频率就会减小。在保证辐射贴片实际尺寸不变情况下增加了贴片的有效长度，在工作频率固定的情况下，减小了天线的尺寸。本文设计的单元天线最大特点是，与具有相同介电常数的介质板微带天线相比较，天线的尺寸下降了15%，同时还保证了良好的增益和带宽，天线的增益达3.4dB。该天线在有效减小天线尺寸与保证天线的增益之间取得了一个较好的折中，同时天线实现很好的圆极化辐射。本文采用一种新的设计方法，单独设计阵列的馈电网络，与天线主体分离，这样不仅可以减小天线阵列的尺寸，并且减少了馈电网络与天线之间的耦合，而且适于单独调试。通过ADS和HFSS联立仿真，设计了一个一分四的威尔金森功分器，仿真结果表明功率分配器具有反射小、插损小、隔离度高等性能，完全符合设计要求。另外，对上述单元天线进行组阵，分别为14线阵和22面阵，通过电磁仿真软件HFSS比较两种阵列的结构尺寸，轴比，增益等指标，最终选择结构紧凑的22面阵，最后对22面阵实物加工和测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 全球卫星导航系统介绍
• 1.3 国内外研究现状和趋势
• 1.4 论文的主要内容和安排
• 第2章 微带天线基本原理概述
• 2.1 微带天线的定义、分类和结构
• 2.1.1 微带天线的定义
• 2.1.2 微带天线的分类
• 2.1.3 微带天线的结构
• 2.2 微带天线的辐射机理
• 2.3 微带天线的馈电方式
• 2.3.1 微带线馈电
• 2.3.2 同轴线馈电
• 2.3.3 电磁耦合馈电
• 2.3.4 缝隙耦合馈电
• 2.4 微带天线的基本参数
• 2.4.1 频带宽度
• 2.4.2 E 面和 H 面方向图
• 2.4.3 方向性和增益
• 2.4.4 天线极化
• 2.4.5 阻抗匹配
• 2.4.6 输入阻抗
• 2.5 圆形微带天线分析
• 2.5.1 圆形微带天线场和电流分析
• 2.5.2 圆形微带天线远区场计算
• 2.5.3 圆形微带天线谐振频率计算
• 2.5.4 圆形微带天线输入阻抗计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 卫星导航系统中微带天线的圆极化技术
• 3.1 圆极化基本概念
• 3.1.1 天线的圆极化技术
• 3.1.2 圆极化的性质
• 3.1.3 圆极化的参数
• 3.1.3.1 圆极化天线输入阻抗
• 3.1.3.2 圆极化天线轴比
• 3.1.3.3 圆极化天线增益
• 3.2 圆极化天线设计理论
• 3.2.1 单点馈电矩形圆极化微带天线
• 3.2.2 单点馈电圆形圆极化微带天线
• 3.2.3 多点馈电圆极化微带天线
• 3.2.4 多元法圆极化微带天线
• 3.3 圆极化微带天线的小型化
• 3.3.1 增大介质板的相对介电常数
• 3.3.2 曲流技术
• 3.3.3 加载微带天线技术
• 3.4 本章小结
• 第4章 圆极化卫星导航天线的单元设计
• 4.1 技术指标及设计方案
• 4.1.1 设计指标
• 4.1.2 设计方案
• 4.2 单元天线设计
• 4.2.1 选取合适的介质板
• 4.2.2 确定圆形贴片半径大小
• 4.2.3 馈电方式选择
• 4.2.4 天线结构及原理
• 4.3 天线性能与特性分析
• 4.3.1 介电常数的仿真优化
• 4.3.2 圆形贴片半径的仿真优化
• 4.3.3 缝隙和切角尺寸的仿真
• 4.3.4 天线上的场分布
• 4.4 优化参数及仿真图
• 4.5 实物制作与测试
• 4.6 本章小结
• 第5章 卫星导航天线阵列设计
• 5.1 微带阵列的基本辐射理论
• 5.1.1 线阵
• 5.1.2 面阵
• 5.2 微带阵列天线馈电方法
• 5.2.1 并联馈电
• 5.2.2 串联馈电
• 5.3 微带阵列天线馈电形式比较
• 5.4 微带功率分配器的设计
• 5.4.1 威尔金森功分器基本原理
• 5.4.2 威尔金森功分器的仿真优化
• 5.4.2.1 威尔金森功分器的 ADS 仿真
• 5.4.2.2 威尔金森功分器的 HFSS 仿真
• 5.4.3 威尔金森功分器的实物加工与测试
• 5.5 阵列天线设计
• 5.5.1 1×4线阵结构设计与仿真
• 5.5.2 2×2面阵结构设计与仿真
• 5.6 1×4线阵和2×2面阵对比
• 5.7 阵列天线加工及测试
• 5.8 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献