天线极化（精选7篇）
天线极化 篇1
摘要：本文依据卫星通信地球站天线有关极化隔离度的设计技术指标及运行要求,分析了极化调试的方法,根据多年工作经验,着重提出了用反极化法调试卫星天线极化角的方法,并在此基础上给出了相应的操作方法。
关键词：极化角,反极化,主站信标
1概述
随着卫星在民航数据通信中的广泛应用,卫星网络的数据和语音通信的高质量传输,有赖于卫星正确的安装与调试,对卫星的安装技术要求也愈来愈高。天线对星操作是安装调试卫星通信地球站的关键技术之一,天线指向的精确度将直接影响卫星地球站的通信质量。天线对星操作包括三个方面的内容,即调整天线方位角、俯仰角和极化角,在民航卫星网的建设和运行过程中,由于具备方位角和仰角测试仪,各远端站天线的方位和俯仰角度调整的都比较好。而在极化调整方面,因为没有合适的工具可用,因此有相当一部分地球站天线的极化角调整得不太理想,这些站在运行过程中,不仅影响了反极化方向卫星转发器的工作性能,同时也使卫星网内受到来自反极化方向的干扰,从而使相应的数据通信误码率提高,话音通信质量下降。极化匹配不均衡,会产生极化损耗使接收信号降低,极化的调试至关重要,对网络的通信质量影响很大,下面分析极化调试的方法,重点分析反极化调试原理及其操作方法。
2 极化角的定义
无线电波的极化,是指电场方向和传播方向两者的关系。它表示在最大辐射方向上电场矢量的取向。在实际中,由于发射天线的具体放置不同,使电场只有垂直或只有平行于地面方向的分量,前者称为称垂直极化波,我国的广播发射天线是垂直于地面的,故是垂直极化波;后者称为水平极化波,我国电视、调频广播用的是水平极化波,它们的发射天线是平衡于地面的。
而卫星接收天线的极化方式有两类:一种是线极化,一种是圆极化。其中在线极化方式下又分为水平极化和垂直极化;在圆极化方式下又分左旋圆极化和右旋圆极化。天线的极化,就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时,此电波就称为垂直极化波;当电场强度方向平行于地面时,此电波就称为水平极化波。如果卫星波束中心与卫星同经度,那么与星下点同经度(但纬度不同)的非星下点接收天线能很好地与卫星辐射电磁波匹配,而与星下点不同经度的非星下点接收天线的极化必须旋转一个角度才能与卫星电波相匹配,这个角度就是极化角,这个极化角也等于星下点的接收天线地平面与非星下点的接收天线地平面之间的交角,如图1所示。
地面接收天线的极化角P可用下式计算:
P=arctg[sin(Ψs-Ψg)/tgθ]
中的Ψg是接收站经度,Ψs为卫星的经度,θ为接收站的纬度。
从公式可以看出极化角的计算只是理想的理论值,总会存在误差,实际调试的时候,可作为极化调试的依据,实际的极化角精确调试,还需借助频谱仪等精密仪器来具体的调整。
3 一般的极化调试方法
调整好方位角和仰角后,再调试极化角,先计算极化角的理想值。当极化角P=0时,接收站刚好处在卫星星下点处,极化处于最理想的匹配状态,不需调整也是最佳极化;而当极化角P>0,接收站方位角处于南偏东,天线馈源应逆时针旋转,调到最佳状态;当极化角P<0时,此时接收站方位角处于南偏西,天线馈源应顺时针旋转,直到调整最佳状态。实际调整极化角时,首先是粗调,先按公式算出仰角、方位角和极化角的理论值,再按理论值调整接收站天线的方位角和仰角以及天线馈源,使其指向卫星。最后利用频谱分析仪、AGC电压或卫星接收机中的信号强度指示条等方法精确调整。
在实际操作中,类似卫星电视接收等2.4米以下的小天线,精度要求不高,不需昂贵的仪器,都使用简单的AGC电压法和卫星接收机中的信号强度指示条法来调试极化角。
3.1 AGC电压调整法
AGC (自动增益控制)电压调整法是通过测试接收机输出的AGC电压来调整天线极化角,只需一般的万用表,把输出电压调整到最大值,此时天线极化匹配最佳。此方法适用于带有AGC电压输出的卫星接收机,简单方便,容易操作,广泛应用于一般的卫星电视接收等。调整时,设置后接收机相应的频道和参数,调整好方位角和仰角,直到能接收到电视信号,用万用表在接收机AGC输出处测量,慢慢地旋转天线馈源,旋转的方向和角度以计算极化角的理论值为准,反复调整,直到AGC电压值最大,这个点就是极化调整的最佳状态,固定馈源。极化调整最佳时,电视图像清晰,信号稳定,无噪声无干扰,只能接收某种极化的节目。极化调整不好时,往往接收图像噪波多,有间歇性的白线干扰,不同极化的节目会同时收到。AGC电压调整法适合接收模拟卫星电视。
3.2 信号强度调整法
信号强度调整法是利用卫星接收机自带的接收信号显示功能,调整接收信号到最大来完成。当进入自带信号检测功能的接收机时,安装调试界面,会显示信号强度和信号质量两条指示条。信号强度指示条显示接收机与馈源链路的状态,可检测出接收机与馈源链路之间是否有故障。信号质量指示条显示接收信号的强弱,可作为天线调试的主要依据。信号质量指示条分别用红、黄、绿表示信号从弱到强,指示条值也不断变化,直到最大。此时,指示条颜色变为绿色,表示极化匹配良好,可接收清晰图像。此方法适用没有AGC电压输出口的接收机接收数字卫星电视。
4 反极化法调试的基本原理
民航卫星数据网要求精度高,需要频谱仪等精密仪器来调试极化角。解决极化调试这一问题的有效方法,是在主站(或监控站)建立一个反极化监控系统,并以此来进行远端站天线的极化角的调整,目前,民航卫星网没有建立反极化监控系统,故尚不具备这种条件。在这种情况下,本人在卫星站建设中多次使用了反极化调试技术,并在天线极化角调整方面取得了令人满意的效果。
民航卫星网所使用的极化方式为线性极化,即信号发送采取垂直极化方式,信号接收则使用水平极化方式,地球站天线设计的线性极化隔度度指标为大于或等于30dB。就是说载波信号在沿着同极化方向进行传播时,由于受双工网络的隔离作用其强度在反极化方向至少被降低30dB,但同时,天线产家为了降低生产成本,所生产的天线的极化隔离度又不会比30dB大得更多,对于VSAT系统来说,已不至于使收发信号产生相互的干扰。反极化法的基本思路就是利用这一基本原理在主站建立一个信噪比大于30dB的单载波信号并作为网内的信标信号,网内需要调试极化角的远端站在同极化和反极化两个相反方向上接收这个信标信号,并通过比较两次所接收到的信号绝对电平的差值是否大于30dB来调试天线的极化角。在使用反极化法时,一般情况下,只有当同极化角调整在接近最佳位置时,其反极化方向的信号强度才会比同极化方向低30dB。
4.1 主站信标信号的建议
主站信标信号的建立是通过在主站中频并接相应的信号发生器来实现,所发送的信标信号使用与系统信号相同的极化方式,并通过主站天级辐射至卫星,然后由卫星转发至全网各个远端站。主站发送的信标信号应具有如下特性:(1)单载波信号;(2)信噪比大于33dB;(3)左右两边各有20KHz以上的保护带宽。
信标信号的频谱如图2所示。
4.2 远端站极化角调整
实际极化角调整中可分两步走,先粗调,按计算所得的方位角、仰角和极化角调整天线的指向及馈源旋转角度,使仰角和方位角最佳并锁定天线指向。细调时,用频谱仪使接收信号精确调整。需要调整极化角的远端站,首先使用频谱仪在水平极化方向上接收主站发送的信标信号,并按常规方法将信号幅度调至最大,然后对频谱仪进行如下操作:
按PEAK SEARCH键;(搜寻信号峰值)
按MARKER—CF键;(信号置中)
REF LVL=信号峰值电平+LOG DB/DIV
SPAN=OHZ
SWEEP=300S
在极化调整时,使用频谱仪的SGL SWP方式,即信号扫描方式。按下频谱仪SGL SWP键后,立即向反极化方向(垂直极化方向)转动天线极化器,此时信号开始逐渐减弱,当信号变化幅度超过30dB时即可停止,此时再将极化器转回水平极化方向,并使信号达到最大峰值,然后,锁定天线极化器,至此可认为极化调整完成。调整过程中,信号变化情况如图3、图4所示。
如果按以上步骤,信号递减幅度无法达到30dB,则应将极化器调至水平极化方向,并再次搜寻新的峰值,然后再按上述步骤重复进行调试,这样最终会将天线极化调至合格的精度。
5 结束语
AGC电压调整法和信号强度调整法无需借助精密仪器的简单调试方法,对极化调整精度要求不高,常见于卫星电视接收的情况。而反极化法是一种简化的天线极化调整方法,借助频谱仪等精密仪器,可以把极化调整到最佳的状态。主要适用于经过型号认证的4.5米以下天线的用户安装调试,在民航卫星数据网络里广泛应用。由于该方法具有简便、实用、有效的特点,因此,在民航卫星调试中,本人多次使用该方法,并在民航卫星网转星工程中取得了比较理想的效果。
参考文献
[1]刘国梁,荣昆壁.卫星通信[M].西安电子科技大学出版社,2008.
[2]宋家华,宋法田.卫星通信[M].北京宇航出版社,2009.
圆极化微带天线技术 篇2
能够接收和辐射圆极化波的天线称为圆极化天线。圆极化波可以分解为两个在空间和时间相互正交的等幅线极化波。实现圆极化工作的原理为:产生两个等幅且相位相差90°的线极化电场分量。
圆极化微带天线在卫星导航定位、遥感遥测以及雷达技术中得到广泛应用,不仅因为微带天线具有体积小、剖面低、便于加工等特点,更重要的是因为圆极化天线具有以下特点:
(1)圆极化天线能够接收任意极化形式的电磁波,其辐射的圆极化波也能够被任意极化的天线接收。这一特点使圆极化天线在电子侦查和干扰中广泛应用;
(2)圆极化天线具有旋转正交性,即天线辐射电磁波与接收电磁波的旋向是一致的,这一性质可应用于电子对抗和雷达的极化分集中;
(3)当圆极化波入射到对称目标(如平面、球面等)时,其反射波旋向反转。这一性质使圆极化天线具有抑制雨雾干扰的能力,并能够增加通信容量。
圆极化微带天线实现方法
微带天线的结构相对简单,贴片结构的灵活性比较大,在实现圆极化方面具有很多方法,常用方法有:单点馈电实现圆极化、多点馈电实现圆极化和多元法实现圆极化。
单馈实现圆极化
微带天线采用单点馈电实现圆极化,其结构简单,便于加工,与多点馈电相比,简化了馈电电路,减小了能量的损耗。在实际应用中具有很重要的意义。目前已有大量文献对单点馈电实现圆极化进行了研究。下面以矩形贴片为例,介绍微带天线采用单点馈电实现圆极化的原理。
设矩形贴片的尺寸为a×b。那么TM01和TM10模在沿着z轴方向的辐射场就会形成正交的分量,将这两个模选为主模。其辐射的电场为:
在上式中:
对于z轴方向,θ=ϕ=0,可得:
TM01模:
TM10模:
为了使波能够在边射方向圆极化辐射,那么就要求两个正交极化的简并模同时激励起来。并要求:
选择合适的频率,使得
则TM01模和TM10模的场都能得到比较强的激励。此时式(6)就可以近似成下面的式子:
式中:
因此,如果要辐射圆极化波,激励的条件就化为:
这就要求k-k10比k-k01超前或者滞后π/2,而且应有:
通常情况,单点馈电实现圆极化的微带贴片天线会引入微扰∆s来产生圆极化。∆s也称为简并分离元,它可以是正的(∆s>0),也可以是负的(∆s<0)。选择合适大小的简并分离元∆s,辐射贴片的两个主模就能形成90°的相位差。常见单点馈电的形式如图1所示。
多点馈电法实现圆极化
多点馈电实现圆极化的方法是利用多个馈电点对天线的辐射贴片进行馈电。一般多点馈电实现圆极化都需要额外的馈电电路。馈电电路的作用就是产生一对幅度相等,相位差为90°的信号,作用在天线的辐射贴片上,产生一对正交的简并模。
在双点馈电中,T型接头是最简单的形式。馈电的两个支路之间在长度上相差四分之一个波长,以产生90°的相位差,而两路信号的幅度相等,以此使天线辐射圆极化波。其结构如图2(a)所示,激励起的两个模式分别为TM01模和TM10模,两个支路的输入阻抗分别记为Ra和Rb,并且有Ra=Rb。那么各段微带线的特性阻抗满足下面的关系:
两点馈电实现圆极化,还可以用威尔金森功分器或者3d B定向耦合器来进行馈电。其中3d B定向耦合器馈电的结构如图2(b)所示。3d B定向耦合器的两个输出端的信号幅度相等,相位相差90°,不需要额外的电路。
多元实现圆极化
使用多个辐射源的方法来实现圆极化的方法也是比较常用和比较容易实现的。这种方法和多点馈电来实现圆极化的原理类似。每一个单元都进行单独馈电。图3(a)为只有两个单元的情况,图3(b)是有四个单元的情况。
小型双频圆极化微带天线 篇3
关键词：双频段,圆极化,微带天线,轴比
1 引 言
由于微带天线的尺寸小、成本低、易加工的诸多特点,微带天线在卫星通信及卫星导航领域得到广泛使用。近年,随着多模卫星组合导航技术的发展,可同时接收多个频段信号的卫星接收天线的设计得到了广泛重视。微带天线多数加工在高介电常数的介质上,这种天线在低仰角性能好,并且带宽较宽,同时具有良好的广角圆极化特性。微带天线的双频化方法很多,根据不同形状的微带天线,实现双频的方式也不同。若用单馈点方式实现双频化,一般有两种方式:一种是使用一块贴片,如通过加载或者开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布,进而使谐振频率受到干扰,最终实现双频或者多频工作[1,2],另一种是使用双层贴片[3]。但是通常的报道中,双层贴片天线要么加工在不同的介质上,要么加工在同一种介质上时,引入了空气层,使得加工不便,并且增大了尺寸[4,5]。
本文设计了一种可同时工作在GPS的L1(1.575 GHz)频段和RNSS B3(1.268 GHz)频段的双频圆极化微带天线,天线通过单个探针馈电,双层正方形切角的微带贴片天线印制在相同介电常数的介质上,与一般的双层圆极化微带贴片天线相比,由于没有在两层贴片之间引入空气层,两层之间的介电常数也相同,从而天线的尺寸变小了,天线结构紧凑,更加便于生产加工。
2 天线模型
2.1 单馈点圆极化双频微带天线
单馈点无需任何移相网络和功率分配器就可以实现圆极化辐射。他基于空腔模型理论,利用两个辐射正交极化波的简并模,并在腔体内引入某种不对称性,以便消除这两个模的简并性。单馈点圆极化微带天线的几何结构有(准)方形、(椭)圆形及多边形等多种形式[6]。
图1是单馈点方形圆极化微带天线的示意图。这种后馈式单馈点圆极化微带天线是通过天线基片背面一点馈电,在A型中把馈点F放置在x轴上,在B型中把馈电点设定在对角线上,通过附加简并分离单元ΔS来解出简并模的衰减。简并分离单元的符号在A型中取为负(ΔS<0),在B型中取为正(ΔS>0)。对于A型|ΔS/S|=1/2Q;对于B型|ΔS/S|=1/Q,其中Q为微带天线的品质因数[6]。
本文所设计的天线采用双层贴片,上、下层贴片均加工在厚度为3 mm,介电常数为9.2的介质材料上,如图2所示。
探针直接穿过下层微带贴片天线的过孔连接到上层微带贴片天线上,下层微带贴片天线是上层微带贴片天线的寄生单元,不用单独馈电,通过上层天线电磁耦合馈电。双频天线的谐振频率由上、下层微带贴片的大小决定:
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其中,c为自由空间中的光速,L为微带贴片天线的实际长度,Δl是由边缘效应引起的电纳可用延伸长度,εr为微带天线介质板的相对介电常数。微带天线的圆极化辐射通过选择正方形切角的大小来实现[6,7]。
2.2 天线方向图和S参数的计算
计算采用基于有限元方法的ANSOFT HFSS软件。馈源使用微波端口,加在同轴线的端口上,求解频率设置为1.57 GHz,在1~2 GHz之间使用快速扫频。
计算采用自适应求解过程,迭代次数设为6,每次计算要比前次计算所剖分的网格数增加20%,2次计算得到的S参数的幅度和相位改变量小于0.2或计算满6次,则求解结束。计算所得的S参数反映了输入端口能量的反射及能量的利用率。轴比则反映了天线辐射圆极化波的性能。
3 天线的仿真结果
双频天线的S参数、方向图以及各个频段的轴比分别如图3~图5所示。
从图3中可以看出,天线能够很好地工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。在这两个波段上,天线的S参数均小于-12 dB,从而能够完成接收卫星信号的功能。
图4表明天线在工作频段有良好的方向性和增益,能够尽可能地接收来自卫星的信号。
由图5(a)可以看出,天线工作在1.27 GHz时,在-70°~70°之间的轴比小于3.5,当天线工作在1.57 GHz时,天线从-70°~90°的轴比都小于3.5,基本能够满足GPS系统对天线轴比的要求。
4 结 语
本文设计了一个双频段圆极化微带天线,该天线能够工作在GPS的L1频段和RNSS B3频段。该天线选用同种介电常数的材料,采用单馈点的方式,使得微带天线能够工作在双频,与常规的微带双频天线相比,因为在两层微带天线之间没有引入空气层,该天线具有体积小的优点,而且天线的两层使用了同种材料,也便于加工。同时本文的设计方法可应用于其他双频及多频天线的设计。
参考文献
[1]张莲.小型化微带天线的宽频带和多频段研究[D].上海:华东师范大学,2005.
[2]Chow Yen Desmond Sim,Tuan Yung Han,Jeen-Sheen Row.Dual-Frequency Shorted Triangular Patch Antenna[J].IEEE,Microwave Conference Proceedings,2005(4):4-7.
[3]彭祥飞,钟顺时,许赛卿,等.小型化双频GPS微带天线[J].上海大学学报,2005,11(1):8-10.
[4]Luigi Boccia,Giandomenico Amendola,Giuseppe Di Massa.A High-performance Dual Frequency Microstrip Antenna forGlobal Position System[J].IEEE Antennas and PropagationSociety International Symposium,2001(4):66-69.
[5]Dahele J S,Kai Fong Lee.A Dual-frequency Circular DiscMicrostrip Antenna With Tunable Characteristics[J].IEEEEuropean Microwave Conference,1982:390-395.
[6]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.
天线极化 篇4
短波通信是无线电通信的一种。短波波长在10m-100m之间, 频率范围3MHz-30MHz, 基本传播途径为地波和天波。短波可经电离层反射到达接收设备, 通信距离较远, 是远程通信的主要手段。
二、高仰角天波
在短波通信中, 天波首次经电离层反射返回地面的点与发射点之间的距离称之为“跳跃区”, 通常在80km以上, 而地波能传播的距离约20-30km, 因此, 在天波返回点和地波传播极限之间有一段距离, 天波信号穿过电离层无法反射, 地波信号无法到达, 这段距离就是我们常说的短波通信盲区。为解决通信盲区的问题, 一是可以增大发射功率, 提高地波传播距离;二是可以采用高仰角天波传播。高仰角天波也被称为“近垂直入射天波传播”, 在2-12MHZ频段采用75-90度的仰角发射短波信号, 会被电离层以几乎同样的角度反射回来, 而反射回地面的信号强度在中短距离内较稳定, 可保障近区的通信。
三、垂直极化天线
垂直极化天线分为对称和不对称二种, 短波常用的对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图, 通过其垂直和水平面方向图, 可以看出, 在振子的轴线方向上辐射为零, 最大辐射方向在水平面上, 且在水平面上各方向的辐射一样大。 (见图1)
不对称垂直天线为垂直接地天线, 完全导电地面的影响可以用单极天线的镜像来考虑。常用的单极垂直振子的长度一般大于八分之一波长。从鞭天线的方向图可以看出它在高仰角方向几乎没有辐射 (见图2) , 对电离层的入射角基本是在70°以下。这种辐射角度适合中远距离通信。由于高仰角方向几乎无辐射, 天波第一跳落地就到了一百公里之外, 一百公里以内无天波信号。
四、环形天线
环形天线是将一根金属导线绕成一定形状, 如圆形、方形、三角形等, 以导体两端作为输出端的结构。
环天线按尺寸分为小环天线和大环天线, 若圆环的半径R很小, 其周长小于波长, 一般称为小环天线。小环天线上沿线电流的的振幅和相位变化不大, 近似均匀分布。即在环面的平面上方向图是圆, 环轴所在平面上方向图是8字形, 沿环轴方向的辐射为零 (见图3) 。环天线具有接收高仰角天波能力。
五、结语
经过对天线方向图的分析, 垂直极化天线在近垂直方向没有辐射, 无法接收高仰角天波, 而环天线则具备此能力。因此, 在采用高仰角天波发射的方法解决短波通信中的盲区问题时, 应注意天线的选择。
摘要：垂直极化天线和环天线均为短波通信的常用天线。在复杂地域进行短波通信时, 为解决通信盲区问题, 可采取高仰角天波传播。短波天线对高仰角天波的接收能力决定了通信质量。本文分别对垂直极化天线和环天线进行分析, 比较其接收高仰角天波的能力。
关键词：高仰角天波,垂直极化天线,环天线
参考文献
[1]王兴亮.现代通信原理与技术.电子工业出版社, 2009
[2]潘仲英.电磁波、天线与电波传播.机械工业出版社, 2003
[3]朱庆厚.无线电监测与通信侦察.人民邮电出版社, 2005
双频双圆极化北斗天线的设计 篇5
关键词：北斗卫星导航系统,微带天线,圆极化,小型化
北斗卫星导航系统 (Bei Dou Navigation SatelliteeSystem, BDS) 是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统, 是继美国全球卫星定位系统 (Global PositioninggSystem, GPS) 和俄罗斯全球卫星导航系统 (GloballNavigation Satellite System, GLONASS) 之后第3个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站。北斗卫星导航系统中的S频段和L频段可以实现位置定位和北斗短信的收发, 在日常交通特别是在海洋运输和渔船劳作中发挥着重要的作用。
天线作为收发信号的转换媒介对通信系统至关重要。由于电磁波在穿透电离层时会发生法拉第旋转效应, 线极化电波信号会产生极化面相对入射波的旋转, 而圆极化对所有的平面极化效应相当且不需要地球平面作为参考, 因此卫星通信中通常采用圆极化天线[1,2]。圆极化天线的主要特点体现在[3]: (1) 圆极化天线可接收任意极化的来波, 且其辐射波也可由任意极化天线收到。 (2) 圆极化天线具有旋向正交性。 (3) 极化波入射到对称目标时旋向逆转, 不同旋向的电磁波具有较大数值的极化隔离。
北斗卫星通信系统采用圆极化信号进行传输, 其中L频段采用左圆极化发送终端设备的短信、定位申请等信息;S频段采用右圆极化接收短信、定位信息等。天线是无线电设备中用于发射和接收电磁波的部件, 其尺寸直接影响着设备体积, 为减小天线对设备体积的影响, 在无线通信系统中常采用电磁波在传播时产生波长缩短效应的微带天线。微带天线具有剖面低, 能与载体共形, 制造成本低, 易于批量生产等多功能特点, 广泛应用于卫星通信、雷达、遥感、制导武器以及便携式无线电设备中[4,5]。采用工作在不同频段的多个微带天线层叠起来, 可以使天线实现多频段操作。如文献[6]中提出一款双层贴片天线, 利用正交馈电的方式实现GPS的L1、L2频率。目前较常用的北斗终端天线尺寸较大, 不利于手持移动设备的使用。为缩小天线的尺寸, 且不影响系统接收信号的质量, 本文提出了一种工作在L频段和S频段的双频微带天线的设计方案。双频北斗天线由两层贴片构成, 上层贴片工作在高频的S频段, 下层贴片工作在低频的L频段, 使用单馈电法实现L频段的左圆极化和S频段的右圆极化, 仿真结果表明本天线在两个频段的回波损耗S11均<10 d B, 各项指标均能达到北斗导航卫星系统对天线的参数要求。
1 天线结构及设计原理
工作在L频段和S频段的北斗天线采用双层贴片结构, 两层贴片间填充高度为h1和h2、介电常数为εU和εD的介质, 其结构如图1所示, 上层贴片为边长L1的正方形工作在S频段用于接收北斗卫星系统发射的右圆极化 (RHCP) 定位信号, 下层贴片为边长L2的正方形工作在L频段用于发射左圆极化 (LHCP) 短信信号。
1.1 天线尺寸的确定
根据传输线理论, 基片介电常数为εr边长为L厚度为h的正方形贴片所形成的天线, 如图2所示, 其工作频率为[7]
式中, c为自由空间的光速3×108 m/s;Δl为传输线模型的等效长度;εe为等效介电常数。
根据式 (1) ~式 (3) 和天线工作频率f, 即可得到天线长度L。
1.2 天线右圆极化的实现
天线的圆极化通过对天线的两极加入互相正交的极化波实现, 通常采用单馈法和双馈法。双馈法天线由输入端来的电磁波经电桥移相90°后分成两路馈电, 因此, 双馈法需要引入电桥增大天线的体积。为保证天线的小型化故本天线采用单馈法, 单馈法无需任何移相网络和功率分配器就可实现圆极化辐射。基于空腔模型理论, 利用两个辐射正交极化波的简并模, 并在腔体内引入某种不对称性, 以便消除这两个模的简并性。当设计得当时, 其中一个模电压的相位比所加电流超前45°, 而另一个模的相位则滞后45°, 故其远区辐射场将为圆极化波[7]。
采用将贴片的对角切掉边长为a的等腰直角三角形, 从而对贴片幅射的电磁场产生微扰动的方法可以实现圆极化, 且切掉的三角形面积与贴片天线面积之比必须满足
其中, S为贴片的面积;ΔS为切掉的等腰三角形的面积, 如图3所示, 本天线的S段天线即采用这种方法实现的。
1.3 天线小型化研究与左圆极化实现
便携式设备的小型化、微型化已成为趋势。由于天线的谐振频率与贴片的等效谐振长度成反比[8], 因此在贴片天线的表面开槽, 可以增加贴片的电流路径的长度, 相当于天线的有效长度增大。从而在天线谐振频率固定的情况下, 缩小了天线的几何尺寸。
因此, 下层天线采用表面开U型槽的贴片, 如图4所示, 在边长为L2的正方形贴片上开U型槽, 左臂长LW, 右臂长为RW, 底边长为DW。当U型槽的左右臂长相等时, 即LW=RW, 天线产生线极化波;当U型槽的左臂长LW大于右臂长度RW时可以实现左圆极化;而当U型槽的左臂长LW小于右臂长度RW时天线辐射右圆极化波。为此, 用于手持设备发送短信的L频段天线采用不对称臂的U型槽结构, 实现天线辐射左圆极化波。
由式 (1) 可知介质的介电常数的平方根与频率成反比, 因此增大介质的介电常数也可有效缩小天线的尺寸。但是高介电常数会提高辐射品质因数, 从而增大天线的Q值, 减小天线的带宽。如果天线带宽太窄, 当信号发生漂移时将无法收到带外信号, 因此介电常数又不能无限增大。
因此本天线下层介质采用介电常数较高的RogerssRO3006。使用高介电常数 (εr=6.15) 且开槽的天线较使用低介电常数 (εr=4.4) 的正方形贴片几何尺寸 (长度为43.6 mm) 减小24%。
2 天线仿真结果与分析
应用Ansoft公司的HFSS电磁仿真软件对天线进行仿真, 经优化后, 当上层贴片边长L1=26.18 mm, 对角切角边长a=6.25 mm, 介质厚度h1=1.5 mm。下层贴片边长L2=33 mm, U型槽左臂LW=10.25 mm, 右臂RW=8.1 mm, 开槽宽度w=1.5 mm, 底端开槽长度DW=3.9 mm, 底端到中心距离D=3.9 mm, 介质厚度h2=2.1 mm时天线性能达到最优, 天线的S11分布如图5所示。
如图5所示, 天线在L频段内的回波损耗, S11<-10 d B带宽为26 MHz;在S频段内的回波损耗S11<-10 d B带宽为63 MHz。
图6是天线在L频段的E面方向图和H面方向图, 其中实线为左圆增益 (LHCP) 虚线为右圆增益 (RHCP) 。由图可知, 天线的左旋增益可达3 d B天线E面的3 d B波瓣宽度达到150° (-75°~75°) H面的增益达到3 d B且3 d B波瓣宽度也达到145° (-70°~75°) 。LHCP电平>RHCP电平15 d B以上, 可见, 该天线在L频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰能力。
图7为天线在S频段的E面方向图和H面方向图, 其中实线为右圆增益 (RHCP) 虚线为左圆增益 (LHCP) 。由图可知, 天线的右旋增益可达4 d B天线E面的3 d B波瓣宽度达到130° (-65°~65°) , H面的增益达到3 d B且3 d B波瓣宽度也达到160° (-75°~85°) 。RHCP电平大于LHCP电平15 d B以上, 可见, 该天线在S频段具有较强的抑制交叉极化和抗多径干扰的能力。
3 结束语
本文设计的单馈电法能够应用于移动手持设备的双频北斗终端天线, 天线工作在L (1 615 MHz) 和S (2 491 MHz) 频段。天线上层采用正方形切角引入串扰的方法在S频段实现右圆极化, 下层贴片采用不对称臂U形槽结构在L频段实现左圆极化, 在两个频段上均能实现北斗对天线性能指标的要求, 且体积小、厚度薄、结构简单、易于加工, 有利于北斗设备的使用和推广。
参考文献
[1]杨杰, 卢春兰, 沈菊鸿.双频双圆极化小型化微带天线的设计[J].军事通信技术, 2013, 3 (3) :16-19.
[2]黄玉兰.电离层中电波线极化面旋转的分析与计算[J].西安邮电学院学报, 2003, 8 (3) :24-26.
[3]薛睿峰, 钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展[J].电波科学学报, 2002, 17 (4) :331-336.
[4]Ramesg Garg.Microstrip antenna design handbook[M].USA:Artechhouse, 2001
[5]曹祥玉.微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.
[6]刘凯.新型多频段微带圆极化天线的设计与应用研究[D].南京:南京邮电大学, 2013.
[7]林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社, 2002.
“动中通”天线极化轴稳定性研究 篇6
目前,国内车载“动中通”大都在方位和俯仰二维上进行稳定[1,2],只能实现天线波束轴线的稳定,不能隔离波束的滚动[3],而国家标准规定,国内卫星系统均采用线极化方式[6],这样就造成了通信时极化失配,导致极化损耗,影响着数据传输的误码率和通信质量[4,5] 。李华[6]对机载动中通的天线极化轴稳定性进行了建模仿真分析,但前提是航向角变化不大,因此不具有通用性。
针对上述情况,本文以车载动中通为例,在分析天线波束特点的基础上,推导了基于“方位-俯仰-横滚” 型结构天线[2]的动中通极化轴稳定的通用性模型,并进行了仿真,定量的证明了极化调整的必要性,最后根据所推得的模型给出了几种极化轴稳定的方案。
1 模型的建立
1.1 建模原理
极化是指电场的瞬时分量随时间变化的方式或方向。假设电磁波沿z轴传播,如果电场矢量投影在与传播方向相垂直的x-y平面上的轨迹为一直线,则是线极化,此时,电场的幅度在变,而其方向保持不变。可见,任一电场可以分解为两个正交分量Ex和Ey 。如果电场E在y轴没有分量(Ey=0),则称为水平极化;如果电场E在x轴没有分量(Ex=0),则称为垂直极化。如果Ex和Ey两个分量分别独自发射,只要分量之间保持同相,则空间上瞬时合成后仍为线极化[8]。
极化匹配是接收天线的极化方向应与电波的极化方向一致,这时接收天线能接收电波的全部能量。若接收天线的极化方向与电波的极化方向不一致,则为极化失配,这时存在极化角,只能接收部分能量[4]。
目前关于天线稳定的建模前提大都是将天线波束看作一个向量[1,7],在不考虑其大小的前提下,通过两个量就可以在一个坐标系中完全描述他,而由上述极化定义可知,在不考虑波束增益的前提下,需要三个量才可以在一个坐标系中完全描述一个波束。因此,我们考虑将天线波束看作一个坐标系,通过坐标系旋转的理论来求取为了稳定所需调整的方位角、俯仰角、极化角。
1.2 坐标系定义
载体地理坐标系n:以车体的旋转中心on为原点,onxn轴指向当地的正东方向,onyn轴指向当地的正北方向,onzn轴垂直于onxn轴、onyn轴且构成右手直角坐标系。
车体坐标系b:本坐标系与车体固联,以车体的旋转中心ob(即on)为原点,obxb轴与车体的横轴重合,指向车体前进方向的右侧,obyb轴与车体的纵轴重合,指向车体前进方向,obzb与车体的垂直轴重合,指向车体上方。
车体天线坐标系T:本坐标系与车载天线波束固联,以天线的质心oT为原点,oTxT轴与电场矢量指向重合,即天线馈源矩形波导口窄边平行于车体平面,oTyT为天线电轴指向目标,oTzT轴垂直于oTxT轴、oTyT轴且构成右手直角坐标系。
理想指向波束坐标系W:以车体的旋转中心oW(即on)为原点,oWxW轴与所选定的通信卫星的极化方向一致,oWyW轴指向所选定的通信卫星,oWzW轴垂直于oWxW轴、oWyW轴且构成右手直角坐标系。
车体相对于车体地理坐标系的姿态由偏航角Ψ、俯仰角φ、横滚角θ惟一表示,其中Ψ指车体纵轴沿前进方向在水平面上的投影与正北的夹角表示,以顺时针为正;φ指车体纵轴轴向与水平面的夹角,以向上为正;θ指车体绕自身纵轴转过的角度,以逆时针为正,当车体纵轴平行于水平面时为零。
天线相对于车体坐标系的姿态由方位角α、俯仰角β、极化角γ惟一表示,其中α表示天线电轴在obxbyb平面上的投影与车体纵轴的夹角,以顺时针为正;β表示天线电轴与面obxbyb的夹角,以向上为正;γ指天线绕自身电轴转过的角度,以逆时针为正,当oTxT平行于obxbyb面时为零。
理想指向波束相对于车体地理系的姿态由方位角A、俯仰角E、极化角V惟一表示,其中A表示波束轴线在水平面上的投影与正北的夹角,以顺时针为正;E表示波束轴线与水平面的夹角,以向上为正;V表示为了极化匹配而需要调整的极化角,即波束绕自身轴线转过的角度,以逆时针为正,当oWxW平行于当地水平面时为零。
1.3 模型推导
设载体(在北半球)所在点的经纬度分别为L1(设东经为正,西经为负)、B;卫星星下点的经度为L2,则可得:
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根据坐标系旋转的数学知识可得:
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若要使动中通的天线波束完全对准卫星,实现通信性能的最优化,必有:
undefined
由于n系至b系的旋转过程中坐标系始终保持直角坐标系,所以Cundefined为正交矩阵[11],即:
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令:
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比较式(6)和式(9),得:
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则当车体姿态角变化时,即可通过上述模型得到α,β,γ的相应的变化,以及为了始终对准卫星,天线各轴要进行相应的调整。
2 仿真实验
仿真条件:车在西安(经度108.95,纬度34.27),卫星为亚洲3S(经度110.5),水平极化,天线相对于车体初始姿态极化水平,车在地理坐标系中无平动,仅仅有姿态运动。
实验1 设初始方位角为90°,俯仰角为5°,横滚角为0°;载体姿态变化:横滚角、俯仰角皆为零,方位角按照θ=90sin(2πt)(即在爬坡时拐一个直角弯)的规律变化,仿真结果如图1所示。
实验2 设初始方位角为90°,俯仰角为0°,横滚角为0°;载体姿态变化:横滚角、方位角皆为零,俯仰角按照θ=5sin(2πt)(模拟上坡下坡)的规律变化,仿真结果如图2所示。
实验3 设初始方位角为180°,俯仰角为0°,横滚角为0°;载体姿态变化:俯仰角、方位角皆为零,横滚角按照θ=5sin(2πt)(模拟车体左右颠簸)的规律变化,仿真结果如图3所示。
由以上3种条件下的仿真可以看出,车体的航向变化、俯仰变化、横滚变化对于天线极化皆有影响,在一定的条件下,天线极化轴变化量会比1.8°大很多[5]。如此就会造成通信时严重的极化失配,导致极化损耗,最终影响数据传输的误码率和通信质量。因此必须采取一定的措施对由于载体的姿态变化造成的天线极化轴的变化量进行稳定补偿。
3 解决方案
对基于“方位-俯仰-横滚” 型结构天线的动中通,可在载体上安装捷联惯导装置[1],实时输出载体的姿态角,进而利用上述模型得到天线极化稳定的实时调整角或改变量,通过驱动极化电机对其进行调整,对基于平板天线的动中通,则可以通过一个极化合成网络来实现极化的匹配,大体的工作流程为根据得到的极化调整角来实时调整极化调整单元中的移相器,使得卫星天线极化方式始终与卫星信号极化方式相匹配。
摘要：为克服动中通两轴稳定造成的极化失配问题,在对卫星天线波束特性和波束稳定实质进行分析的基础上,建立“动中通”卫星天线极化轴稳定的通用性模型。基于此模型对天线极化轴稳定性进行了仿真,定量地证明了极化轴稳定的必要性。最后根据所推模型给出了两种极化稳定方案。
关键词：动中通,极化,极化匹配,稳定
参考文献
[1]腾云鹤.移动卫星通信捷联式天线稳定系统[J].宇航学报,2002,23(5).
[2]王继东.移动载体稳定跟踪平台测控关键技术研究[D].长沙:国防科技大学,2003.
[3]严武?,刘宏.舰载雷达三轴稳定跟踪的研究[J].电子机械工程,1996(1):26-30.
[4]杨凤梅.卫星电视接收天线的极化匹配问题探析[J].中国有线电视,2004(24):69-72.
[5]杨宝苒,袭著伟.卫星接收中线极化匹配的理论分析与调整方法[J].有线电视技术,2001,8(21):24-27,77.
[6]李华.机载卫星通信天线极化轴的稳定分析[J].现代电子技术,2002,25(11):47-49.
[7]周瑞青,吕善伟,刘新华.捷联式天线平台数字稳定技术及仿真研究[J].系统仿真学报,2004,16(10):2 234-2 236,2 247.
[8]盛振华.电磁场微波技术与天线[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.
[9]王秉钧.现代卫星通信系统[M].北京:电子工业出版社,2004.
[10]林培通.卫星接收极化角计算公式的推导[J].宁德师专学报:自然科学版,2004,16(4):400-402.
天线极化 篇7
关键词：微带天线,腔模理论,双频,多馈点,圆极化
0引言
全球卫星导航系统 (GNSS) 由于其具有全能性 (陆地、海洋、航空和航天) 、全球性、全天性、连续性和实时性的导航、定位与定时功能, 能为各类用户提供精密的三维坐标、三维速度和时间信息[1,2,3], 而备受人们青睐。天线作为卫星导航系统的终端起着举足轻重的作用, 其性能直接影响着整个系统。
通常应用于全球卫星导航系统的终端天线有四臂螺旋天线和微带天线两种形式。四臂螺旋天线通过改变其物理尺寸可形成不同的辐射方向图来满足不同空间的应用需求, 但由于其成本高, 轴向尺寸大等缺点极大地限制了它的发展。与此同时微带天线的出现使人们看到了希望, 由于其体积小, 剖面低, 能与载体共形, 易于实现圆极化等优点受到了人们的极大关注, 而频带窄, 增益小等缺点也阻碍着其发展, 但同时吸引着大量的研究[4,5,6]。目前基于不同馈点个数[7,8,9,10], 和新型贴片结构[11,12]的微带天线得到了广泛的研究。Chari Ricky和Mak Chi-Lun等人提出了通过在贴片上开E型槽[13]来得到满意的带宽, 但这种方法所设计的天线尺寸很大。在文献[14]和[15]中介绍了加载短路销钉的圆形微带天线和矩形微带天线, 在天线的工作频率上, 天线的尺寸缩小了89%。本文结合上述两种方法提出并设计了一种新型的层叠结构的微带天线, 通过在贴片上对称的开四个槽, 并利用使各馈点之间的相位相差90°的旋转馈电技术, 有效地扩展了天线的阻抗带宽, 并使天线的尺寸减小了26%。
1腔膜理论分析
选择如图1所示的坐标系, 当h≪λ0时, 假设贴片与接地板之间的磁场只有Hx和Hy分量, 电场只有Ez分量, 内场不随z坐标变化, 四周为磁壁, 贴片和接地板之间为电壁。
Ez满足波动方程:
式中:undefined, 结合空腔的边界条件, 利用模式展开法可得:
式中:undefined;undefined。
由麦克斯韦方程组可解得Hx和Hy:
即得到腔内的场分布, 同时可得到天线的谐振频率为:
由以上计算可得天线的贴片尺寸a和b, 其中a和b是考虑了边缘效应后的等效尺寸, 它与物理尺寸a′和b′之间的关系为:
式中:undefined和εr分别为基片的厚度和等效介电常数。
2天线模型的设计及优化
基于腔膜理论结合表面开槽法 (曲流技术) 和短路销钉加载技术, 本文设计并优化了一种新型的小型化层叠结构的微带天线, 其结构如图2所示。它由上、下两层贴片, 短路探针及同轴线组成, 采用双层贴片, 上、下两层选用相同介电常数的聚四氟乙烯材料 (相对介电常数εr1=εr2=4.4, 损耗角正切值为tan δ=0.001) , 基片厚度为4 mm。同轴线通过下层贴片的钻孔连接到上层贴片, 下层贴片是上层贴片的寄生单元, 通过探针直接馈电。通过调节上、下两层贴片的尺寸实现L1 (1.575 GHz) 和L2 (1.227 GHz) 两个谐振频率。基于波瓣宽度、效率及带宽性能的考虑选用正方形微带贴片作为辐射单元, 并在贴片边缘对称地开四个矩形槽, 既保证了这种单元结构的对称性, 同时可实现良好的正交极化辐射特性;又可通过调节所开矩形槽的尺寸, 在反射损耗基本不变的情况下极大地改善了天线的轴比带宽, 使其轴比带宽在一定程度上得到了扩展;同时由于在贴片上开槽使贴片的表面电流路径增长, 降低了其谐振频率, 从而减小了贴片的尺寸, 使其满足了实际应用中要求的指标。
采用电磁仿真软件CST, 应用时域有限差分法对所设计的天线进行模拟仿真, 通过仿真分析及优化, 下层贴片尺寸L2×L2=51.6 mm×51.6 mm, 缝隙的尺寸Ls2×Lw2=10.2 mm×5 mm, 上层贴片尺寸L1×L1=39.5 mm×39.5 mm, 缝隙的尺寸Ls1×Lw1=7.8 mm×5 mm。基于天线的对称结构采用8个同轴馈点对天线进行馈电, 上下两层贴片均采用4个馈点错位倒向馈电技术, 使天线的相位中心和圆极化性能保持稳定。
根据前面的设计所的得到的仿真结果如图3～图5所示。天线在1.521～1.629 GHz和1.153～1.313 GHz频段上, 反射损耗S11<-10 dB, 且在中心工作频点1.575 GHz和1.227 GHz上反射损耗S11分别为-18.1 dB和-20.9 dB (如图3所示) 。图4为1.575 GHz和1.227 GHz频段上天线的极化轴比仿真结果, 由此可见, 在1.575 GHz, 天线在-59°～59°范围内其极化轴比小于3 dB;在1.227 GHz, 天线在-65°～+65°范围内其极化轴比小于3 dB。图5给出了1.575 GHz和1.227 GHz频段上圆极化天线的方向图仿真结果, 该仿真结果说明, 当频率为1.575 GHz时, 天线在φ=0°方向的增益为6.1 dB, 半功率宽度为104.5°;当频率为1.227 GHz时, 天线在φ=0°方向的增益为8.4 dB, 半功率宽度为90.9°, 以上性能均满足实际工程中的要求。
3结语