基于北斗卫星导航系统的多频圆极化天线研究

摘要

卫星导航系统作为重要的空间基础设施，具有巨大的经济效益和重大的国防意义。2012年底，我国自主研制的北斗卫星导航系统(BDS)正式覆盖亚太地区，可在全球范围内全天候、全天时为用户提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。由于北斗一代还是采用主动式双向测距二维导航，因此用户设备必须包含发射机。同时，我国首个北斗地基增强系统已经在湖北建成并试运行，标志着北斗卫星导航系统将成为全球首个采用三频定位技术实现厘米级定位的卫星导航系统。无论是从北斗一代的定位原理还是从未来北斗高精度定位系统的发展需求来看，只有具有多频兼容特性的卫星终端天线才能满足各方面的要求。
　　本文针对北斗卫星系统的实际要求，设计了多款多频圆极化卫星终端天线，并运用传输线理论和腔体模型理论进行分析，通过给出等效电路指导天线设计。其中，单层收发一体的卫星终端天线是在正方形贴片上采用开槽和加载“卐”字臂的方法实现了在北斗卫星导航系统收发频段的工作。紧接着针对微带天线带宽较窄的问题，利用叠层法和“阶梯”式切角技术设计了一款具有较大带宽的双频圆极化叠层天线。为了实现小型化，还进一步探索了介质基板和接地板对增益的影响，同时也采用了互补金属开口谐振环(CSRR)阵列技术来减小天线的尺寸。最后，针对北斗高精度定位的要求，设计了一款采用嵌套分形的多元天线，并通过邻近耦合微带线分别馈电，得到了在北斗的三个频段上都具有良好性能的三频北斗卫星终端天线。
　　文中利用了电磁仿真软件对三个系列的天线分别进行了仿真和优化，并对所有的回波损耗、轴比图以及方向性增益图等进行了分析和讨论。所有的仿真和实验结果都表明，论文提出的多频技术、圆极化技术以及小型化技术都具有理论依据和现实意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 北斗卫星导航系统简介

1．1．1 北斗导航系统的背景和原理

1．1．2 北斗导航系统的发展和未来

1．2 卫星天线设计要求和研究现状

1．2．1 北斗卫星天线设计要求

1．2．2 卫星天线研究现状

1．3 选题背景和意义

1．4 论文主要研究工作和内容安排

参考文献

第二章 微带天线的基本理论

2．1 引言

2．2 微带天线辐射机理和馈电方法

2．2．1 微带天线的辐射机理

2．2．2 微带天线的馈电方法

2．3 微带天线分析方法

2．3．1 微带天线传输线模型理论

2．3．2 微带天线腔模理论

2．4 微带天线多频化和圆极化技术

2．4．1 多频微带天线设计方法

2．4．2 圆极化微带天线设计方法

参考文献

第三章 北斗收发一体微带天线的设计与分析

3．1 引言

3．2 加载“卍”字臂的北斗卫星终端天线设计

3．2．1 介质基板选择

3．2．2 正方形微带天线设计

3．2．3 采用加载开槽技术的正方形贴片的结构分析

3．2．4 加载“卍”字臂的正方形北斗终端天线仿真

3．2．5 天线影响因素探讨

3．3 北斗收发一体双层微带天线设计

3．3．1 “阶梯”式切角微带天线的结构和理论分析

3．3．2 “阶梯”式切角微带天线的仿真设计和对比讨论

3．3．3 “阶梯”式切角微带天线小型化设计

3．3．4 CSRR阵列叠层微带天线设计

3．3．5 天线影响因素探讨

3．4 本章小结

参考文献

第四章 北斗多频微带天线的设计与分析

4．1 前言

4．2 采用邻近耦合馈电的多频分形北斗卫星天线设计

4．2．1 多频天线设计思路

4．2．2 正方形环结构理论分析和仿真

4．2．3 多频分形天线的等效电路分析

4．2．4 邻近耦合馈电微带线的分析和设计

4．2．5 天线的仿真设计

4．3 天线影响因素探讨

4．4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

附录一 实验仪器及测试条件

附录二 微带天线样品及测试数据

附录三 攻读学位期间的研究成果

致谢