北斗二代和GPS组合导航卫星天线设计

摘 要 综合运用单馈圆极化和双馈圆极化技术，设计出叠层多频微带天线，并集成低噪声放大器，对卫星信号进行放大及合路。利用电磁仿真软件HFSS对无源天线的电性能进行了仿真和优化设计。对低噪声放大器电路进行链路分配和设计，综合考虑低噪放噪声、增益、压缩点和抗大功率等因素。设计出的有源天线集成度高，电性能和辐射特性良好，可用于北斗二代和GPS组合导航系统，满足其在卫星导航通信领域的工程应用。

关键词 北斗；GPS；微带天线；低噪声放大器

中图分类号：TN965 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）23-0019-03

我国北斗卫星导航系统2012年12月正式运行以来，北斗系统的定位、导航、授时服务性能不断提升，应用服务逐步拓展到交通运输、气象、渔业、林业、测绘等领域，北斗导航应用呈全面推广和产业化态势，已产生显著的社会、经济效益。

随着北斗导航系统的发展，系统对导航定位的速度和精度要求日渐提高。同时，在实际应用中，还要求终端设备能同时兼容北斗系统和GPS系统，从而需要导航终端天线能工作在不同的频段。现代北斗导航系统，不仅要求天线小型化、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足多系统兼容，还要求天线具有多频、圆极化及集成有源电路等特性。

微带天线具有体积小、重量轻、平面结构、能与载体共形、馈电方式和极化形式多样化等诸多优点，得到了广泛应用。本天线由无源天线和低噪声放大器两部分组成。无源天线采用微带叠层技术，主要完成对北斗B1、B3和GPS L1双系统三频卫星信号的接收功能；低噪声放大器的主要功能是将无源天线接收到的信号进行放大、滤波及合路。

1 天线单元的设计

设计的天线单元结构如图1所示，天线模型由两层微带贴片天线和一层地面反射板组成。由于天线在实际使用中底部为金属结构件，因此仿真模型中建立一层金属地面反射板，以模拟实际使用中的情况。

卫星导航天线需采用圆极化天线，由于圆极化波可分解为正交的两个等幅线极化波，由这可得出实现天线圆极化的原理：激励两个空间正交的线极化的电场分量并保证二者的振幅相等，相位相差90°。

实现微带天线的圆极化主要分为单馈法和多馈法。

单馈法有多种方案，适合多种贴片形状。确定几何微扰，及恰当的馈点是关键。结构简单，成本低，适于小型化。本设计北斗B3频点接收采用单馈切角方案，天线贴片放置于下层。

多馈法是有多个馈点馈电的微带天线，通过馈电网络来保证圆极化的工作条件。能拓宽驻波比和圆极化带宽，抑制天线的交叉极化，并提高轴比。本设计北斗B1和GPS L1由于频率较近，采用同层双馈等幅，相位相差90°的方案实现圆极化，天线贴片置于上层。

上下两层辐射单元均采用=4.5，=3 mm的高频板。

本设计采用Ansoft HFSS软件对所设计的导航卫星天线电性能进行了仿真分析，各频点仿真结果如图2和图3所示。

图1 天线仿真模型图

仿真数据如表1所示。

表1 天线仿真数据比对

轴比（dB）驻波比（dB）最大极化

增益（dB）20°低仰角增益（dB）

B31.41.35.6-1.8

B10.51.26.5-2.3

L10.51.47.0-2.0

2 低噪声放大器的设计

低噪声放大器是卫星导航接收机系统中的关键电路。由于常规设计中，无源天线和低噪放间的射频电缆会引入一定的插损，这些插损会提高整个信道部分的噪声系数。为了最大限度降低这一插损，并实现小型化，本设计将低噪声放大器与叠层微带天线集成在一起，组成有源天线。

表2 低噪声放大器参考指标

项目B3B1L1

输入输出驻波≤2（50Ω）

噪声系数GAIN≤1.5dB

增益NF40±2dB40±2dB

输出压缩点≥-20dBm

供电5V

图2 （a）北斗B3频点轴比图

图2 （b）北斗B3频点驻波比图

图2 （c）北斗B3频点极化方向图

图2 北斗B3频点仿真数据图

图3 （a） 北斗B1和GPS L1频点轴比图

由于低噪放位于接收机前端，所以它需要有较低的噪声系数，并具有足够的增益来抑制后级电路的噪声对系统的影响，同时要求有一定的线性度，并且增益一定范围内可调。

图4 低噪声放大器设计原理框图

低噪声放大器方案如图4所示，采用两路设计，北斗B3一路，北斗B1和GPS L1共用一路。两路低噪放选用相同的宽带放大管。首先利用介质滤波器进行前置滤波，抑制无源天线接收到的带外信号，然后进行两级放大，接下来再进行一级滤波，最后再进行一级放大。同时在最后一级放大管的前后端引入两个π型衰减网络，从而可以对增益进行微调。

B3/B1/L1低噪放设计考虑如下：

1）前置滤波器选择低插损滤波器，防止移动通信频段等通信系统强干扰信号阻塞低噪放；同时需要避免引入过大噪声降低接收机灵敏度。

2）第一级低噪放管子选择，采用P-1dBm大于20dBm的放大管，防止电路饱和，增大低噪放的动态范围。

3）第二级滤波器选择，采用高抑制滤波器，插损约2.5dB，可以有效滤除带外干扰信号。

4）末级低噪放选择，主要考虑低噪声增益放大，采用P-1dBm大于0dBm的放大管，提高低噪放整体的1dB压缩点。

在进行抗大功率设计时采取以下防护措施，在接收通道采用具耐压和耐大功率冲击的器件，并且耐压及功率采用较大的冗余度设计。通过选择材料及控制工艺增强低噪放的抗大功率冲击能力，以适应实际使用中复杂的电磁环境。

最终制作的低噪放整体噪声系数为1.36，总增益调整为40dB，三阶交调可以达到6.73dB。实物如图5所示。

（a） 天線实物顶部图 （b） 天线实物底部图

图5 天线外形实物图

3 结论

综合运用单馈圆极化和双馈圆极化技术，设计出叠层多频微带天线，并集成低噪声放大器，对卫星信号进行放大合路。

该天线电性能和辐射特性良好，可用于北斗二代和GPS组合导航系统，满足其在卫星导航通信领域的工程应用。

参考文献

[1]韩超，陈丽，杜黎明，甄卫民，王小妮.走向应用的北斗[J].全球定位系统，2013，38（2）.

[2]D. M. Pozar and D. H. Schaubert，Eds.，Microstrip Antennas，the Analysis and Design of Microstrip Antennas and Arrays. Piscataway，NJ：IEEE Press，1995.

[3]张龙军.北斗与GPS卫星终端天线的研究[D].西安：西安电子科技大学，2012.

作者简介

黄朝晖（1985-），男，主要从事卫星导航天线设计。

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