北斗多频兼容及高精度微带天线研究

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北斗卫星导航定位系统的建设与发展满足了国家安全、经济建设、科技发展和社会进步等方面的需求,维护国家权益,增强综合国力。应用于卫星导航定位系统终端设备的天线是整个系统中至关重要的组成部分,它对整个终端系统能否稳定、高效运行起着决定性的作用,因此对卫星导航系统终端天线提出了更高的要求。北斗终端系统兼有通信功能,需要考虑频带宽度、多频兼容、低仰角增益、天线小型化、相位中心稳定等性能问题,这也是进一步提高北斗卫星导航系统定位精度和满足民用通信对天线设计要求的新挑战。  本文主要针对我国卫星导航系统终端天线的新发展和实际应用要求,设计多款性能优异、结构新颖、适用于北斗二代卫星定位系统的终端天线,并基于微带天线分析方法给出具有参考价值的理论模型和机理分析。论文中对三个系列天线分别进行了仿真和优化,并对所有天线的回波损耗、阻抗带宽、方向性增益图等进行了分析和讨论。论文提出宽带化技术、频点可调谐技术、小型化技术、多频段兼容技术和相位中心稳定结构设计,最终的仿真和实验结果都表明以上天线设计具有理论依据和现实意义。  本文研究内容主要分为以下几个方面:  第一部分首先针对北斗导航定位系统L频段带宽较窄的技术难点问题,本文提出了加载扳手调谐环结构,在天线的角部加入了同时含容性及感性的谐振结构,灵活控制微带天线的辐射边长。通过建立等效电路模型分析该天线的工作原理,仿真对比结果说明该结构能够有效改善天线低仰角增益,拓展带宽,提升系统的稳定性;通过调节这个结构,可以实现兼容GPS的1.575GHz和北斗1.616GHz双频工作。根据区域微扰调控技术,采用“锚”形结构、扳手调谐环结构、门字缝隙等可调谐结构,设计满足北斗L及S频点的单层双频微带天线,该天线结构新颖、简单、集成化、单馈点、双频,能很好地满足目前北斗导航系统终端设备对天线规范特性指标要求。  第二部分设计了叠层耦合微带天线。针对叠层耦合微带天线结构复杂,层间的电磁耦合难以控制,首先设计了一款简单实用的微带天线,在两层贴片天线上分别加载扳手调谐环结构、耳状调谐环结构,分别调节两个结构尺寸,实现对两个工作频点的调谐。另一款天线针对北斗二代卫星导航定位终端天线精准定位、相位中心稳定的性能指标,提出了简单且具有高对称性的缝隙阵列微带天线,主辐射贴片上用了对称折角迭代式缝隙阵列,有利天线带宽扩展及尺寸控制,并且由于缝隙阵列的对称结构,使天线具有较稳定的相位中心。与旋转CSRR阵列、扳手调谐环结构天线堆叠在一起,实现小型化、多频及双圆极化微带天线,通过等效电路模型分析两款天线工作原理,同时证实该旋转CSRR分布阵列所具有的超材料特性,如它的负磁导率和负的介电常数。仿真结果说明两款天线性能表现良好。  第三部分设计了多馈电多频段兼容单层微带天线系列。针对北斗高精度天线相位中心稳定的要求,本文提出了一款八边形阶梯边缘双馈电微带天线结构设计,采用迭代式T型异构支节、塔式凹槽和加载分布式多孔阵列实现对天线频点的灵活调控。为进一步提高相位中心稳定度,接着设计了一款四馈电多频段兼容双框结构单层微带天线,内部加载多级边框结构调节天线两个工作频点的频比,天线中心处四个凹槽内加载八个对称支节结构。多馈电保证了天线在两个工作频点处具有良好的圆极化特性及相位中心稳定性。
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