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1、毕业设计题目:文献综述GPS抗干扰天线技术一多频带高增益微带天线单元的设计l=J1x1与仿真GPS抗干扰天线技术一多频带高增益微带天线单元匹1=1的仿真与设计*（通信工程 07（*）E*）1前言全球定位系统（Global Positioning System,简称GPS）是美国从上世纪70年代开 始规划研制的，历时21年，耗资200多亿美元，于1994年全面建成。她是具有海、 陆、空全方位，实时三维（三维是指三维空间定位，如：东-北-天）导航与定位能力 的第二代卫星导航系统1。由于GPS信号很弱，易受干扰，为了保证精确度，GPS 抗干扰技术应运而生。在GPS抗干扰技术中，天线单元的设计起到至关
2、重要的作用。 微带贴片天线成为抗干扰天线的成熟技术，但是，设计出GPS接收机要求的天线， 需要满足方向性、极化形式、频率特性和增益等。本课题主要内容就是设计出符合上 述四项的多频带高增益微带贴片天线。2抗干扰天线的国内外研究历史和现状2.1抗干扰技术的国内外研究历史和现状由于GPS信号很弱，易于受干扰，用户基于民用安全和军事的精确要求，已经 开始关注GPS干扰问题。多年来，美国研究人员一直在研究如何提高GPS系统的抗干扰能力。针对GPS 易受干扰这一弱点，美国GPS联合计划办公室在1988年列出了 30种有助于改进GPS 性能的技术，包括有：空域、频域、时域滤波技术；接收P（Y）码技术；接收M
3、码 技术；GPX伪卫星技术和GPS与INS组合等抗干扰技术5。著名导航定位系统GLONASS的拥有者俄罗斯早在上世纪80年代就开始了 GPS 干扰技术的研究，同美国拉开了 GPS对抗的接力赛。俄罗斯已成功研制了数代压制式、 欺骗式GPS干扰机。这些干扰机己在展览会上多次公开展出，其压制式干扰机还在科 索沃和伊拉克战场上得到了运用1。早在20世纪末，我国在世界国防科技展览会就展示了电子干扰机,该干扰机可使 敌方无法接收GPS信号。目前国内开发出的自适应非线性A/D变换器，它用以检测连 续波干扰和保护预相关A/D变换器;还有用于对付窄带射频干扰的瞬时滤波技术，这是 一种数字信号处理技术，用离散傅利
4、叶变换（DFT）处理数字化的中频信号。2.2天线的国内外研究现状2.2.1天线的小型化近年来便携式接收机的应用，对小型化GPS天线提出了迫切需求。目前GPS 微带天线和四臂螺旋天线多采用高介电常数的陶瓷材料作为介质来实现天线小型化。采用 r = 28的陶瓷基片代替 r = 3的普通基片，微带天线的尺寸可以缩减 90%左右。采用 r =40的陶瓷介质的四臂螺旋天线，体积只有原来的1 /6。但这类 高介质天线的表面损耗较大，效率较低。对四臂螺旋天线来说，还可通过加载13、曲 流14 、部分折叠15 等技术实现小型化。今后，可采用损耗更小、介电常数更大的介质及特殊的天线结构，来进一步缩 小天线尺寸。
5、2.2.2降低天线成本目前微带天线价格比较适中，在GPS应用中处于优势地位。虽然介质加载四臂 螺旋天线性能优良，但该天线结构复杂，制作加工成本较高，因而只应用在高端产品 中。可见，设法降低四臂螺旋天线的制作成本，是保证GPS产品广泛应用的必然要 求。2.2.3增强抗干扰能力GPS信号极易遭受外来的干扰,对于天线来说，主要通过波束控制技术和适应调 零天线16 来抗干扰。波束控制技术是用数字波束形成的方法将天线波束定向到所要 跟踪的卫星，从而把增益加到所希望的信号上，这种方法需要使用大孔径的天线阵， 计算任务繁重。自适应调零天线是通过电子调谐方式，使天线方向图在干扰源方向上 建立零点，可将抗干扰能
6、力提高4050dB。自适应调零天线在美国军事上得到了广 泛应用。战斧导弹、JDAM （联合直接攻击弹药）及F216战斗机上的GPS接收机均 采用了自适应调零天线阵。另外，如何对付城市中严重的多路径干扰，也是当前应用中的一个关键问题。2.2.4双/多频段天线目前，美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系及欧洲伽利略系统，都能够提 供导航服务。如果一部接收机能同时接收两种甚至三种卫星信号，不仅有助于观测更 多的星座，提高定位精度，还能够免受单一系统的制约。另外，除了精密双频测量接 收机外，GPS技术和个人移动通信终端的集成，也需要一个天线能够解决GPS和 GSM、CDMA或3G两个频段的应用问题
7、。目前的微带天线，多采用贴片层叠的方法来实现双/多频段。对于四臂螺旋天线， 多采用上下堆叠和内外嵌套的方式来实现，还有一种方法是，将每条臂用三根不同长 度臂代替实现三频段特性17。值得指出的是，四臂螺旋天线，在双频段天线设计上 具有潜在优势，可利用它不同的工作模式，实现双/多频特性。2.2.5国内研究情况国内对GPS贴片天线的研究已趋于成熟，许多厂家都能够设计和生产。而小型 介质加载四臂螺旋天线，主要被英国sarantel公司垄断，国内还没有相应的产品，因 此目前对该天线研究比较热门。浙江大学正在合作研究此类型天线，目前已经制作了 样品，通过微波暗室测量，性能良好；上海大学和相关单位也已经联合
8、研制了 GPS 方形介质加载四臂螺旋天线18 ，预计在不久的将来这些产品将达到应用要求。3研究内容3.1 GPS干扰形成3.1.1 GPS的潜在干扰GPS接收机受到的潜在干扰包括带内射频干扰（1565-1568MHz）、带外射频干扰和 环境干扰。带内射频干扰包括谐波、寄生震荡和交叉调制分量等。带外射频干扰主要 是靠近GPS载波射频的强信号干扰，它可以通过接收机的射频滤波器对接收机造成影 响。环境干扰包括多径、遮蔽、地形遮拦和其他由自然环境造成的干扰。对GPS接收 机造成影响的各种潜在干扰源如表1所示。其中以移动卫星服务（MSS）、甚高频通信 谐波和卫星通信（SATCOM）（AMSS）为主要射频
9、干扰。表3-1 GPS的各种潜在干扰源干扰源类型干扰源类型移动卫星服务（MSS）带内、带外高频谐波带内甚高频通信谐波带内调频谐波和无源IM带内卫星通信（SATCOM）（AMSS）带内、带外电视谐波带内无源交叉调制分量带内甚高频/超高频陆地移动谐波带内飞行电话服务带外VOR谐波带内DME （测距系统）带外私人电子设备带内S模式带内、带外ACARS谐波带内3.1.2 GPS的人为干扰对GPS所实施的一切人为干扰，最终目的是干扰GPS接收机，使其不能正常工作。人为干扰主要有压制式和欺骗式两种。3.2 GPS抗干扰技术大多数现代的GPS接收机方案是数字接收机。图1给出了现代数字接收机的抗干 扰处理的总
10、体方案，包括射频干扰检测技术(图1中位置)、前端滤波技术(图1 中位置)、窄带干扰处理技术(图1中位置)、码/载波跟踪环技术(图1中位 置)、天线增强技术等多种抗干扰技术1。图4-1现代数字GPS接收机结构其中，天线增强技术(图1中位置)主要应用于天线部分，主要涉及的技术为 自适应天线阵列技术，比较常见的有波束控制阵天线和自适应调零天线技术。其中自 适应调零天线技术应用性比较强，它主要使得天线增益图中的零陷指向外部干扰源， 从而完成空域滤波的作用。这种技术对于宽带和窄带的干扰都是有效的。3.3 GPS抗干扰天线自适应天线(Adaptive Antenna)又称智能天线(Intelligent
11、Antenna 或 Smart Antenna),将阵列天线与信号处理相结合,用信号处理的理论和方法、自动控制的技术 来解决天线加权集优化的问题，使其适应信号环境的变化，来达到抗干扰的目的。通常自适应天线由三部分构成:天线阵列、波束形成单元和自适应算法控制单 元，三部分相互配合以达到抗干扰的目的。天线阵列是由按某种规律排列的天线阵元 构成的。通常采用的阵型结构有均匀线阵(Uniform Linear Array, ULA)、均匀圆阵 列(Uniform Circular Array ,UCA)和平面圆阵列(Plane Circular Array ,PCA)等多 种形式。各阵元的中心沿着一条直
12、线排列，即为线阵。各阵元中心在一个圆周上，则为 圆阵。各阵元中心在一个平面上，皆称为平面阵。为了能够设计出具有较好抗干扰能力的天线阵列，首先应该设计出符合要求的天 线阵元，这些阵元必须达到一定的要求，例如，方向特性、频率特性、极化特性、增 益等。3.3. 1 GPS工作特性GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中工作星21颗,备用星3颗，卫星分布在6个 轨道面上,每个轨道上均匀分布4颗，卫星运行周期为11时58分。卫星在地平面以上 的数目随时间和地点的变化而异,最少为4颗,最多为11颗。卫星向用户发送导航电 文，GPS接收机同时接收至少4颗卫星信号，利用接收机到卫星的距离计算出测点的 三维位置。G
13、PS卫星距离地球平均距离为20000多千米，到达地面的GPS信号非常微弱，大 约为-160dBW。每颗卫星发射L1和L2两个载波频率：L1频率为1575.42MHz, L2为 1227.6MHz。GPS卫星发射天线阵是赋形波束,使用户在天顶和仰角5时接收信号功 率电平最低，两者之间逐渐增强，仰角40左右时最大。根据距离交汇法定位原理， 越是低仰角的卫星，越能提高GPS定位精度，天顶的卫星虽然信号易于接收，但对提 高精度贡献不大。3.3.2 GPS接收天线的主要类型根据应用不同，GPS天线有多种类型，主要有单极或偶极天线、微带天线、单臂 螺旋天线、四臂螺旋天线、圆锥螺旋天线、阵列天线等。其中，微
14、带天线多用于测量 型接收机和飞行器上，单臂螺旋和圆锥螺旋多用于卫星通信中。目前，微带贴片天线和 四臂螺旋天线因具有突出优点和令人满意的电气性能而被广泛使用。四臂螺旋天线四臂螺旋天线可以看作是两个双臂螺旋天线构成的，它们之间旋转90且正交 馈电。对于一个双臂螺旋天线来说，当天线处于谐振状态时，臂上的电流幅度接近正 弦分布，其中最大值位于馈电点和短路点，零点位于螺旋臂的中部，我们可得到它的 简化模型。选择螺旋中心为原点，轴为Z轴，顶面和底面上天线臂的平行线为Y轴来 建立坐标系，显然该模型可进一步简化一个YZ平面上的电流环和一个X轴上的电 偶极子的组合。同样，跟它垂直的另一付双臂螺旋天线亦可以等效成
15、一个X Z平面 上的电流环和一个Y轴上的电偶极子的组合。根据天线的叠加原理，由于这两组电流环和电偶极子互相垂直且相位差90，那么在远区得到的是一个宽波束的心型的 圆极化方向图。微带贴片天线微带天线是50年代提出，80年代趋于成熟的种天线。由于微带天线具有体积小、 可共形、设计灵活、易于制造、成本低、便于获得圆极化等优点，因此被广泛应用在GPS 接收系统中。通常微带天线是由一块厚度远小于工作波长的介质基片和两面各覆盖一 块辐射金属片构成，如图2所示。其中覆盖基片底部的有限辐射金属片称为接地板, 而基片另一面尺寸和工作波长近似的金属片称为辐射单元。微带天线一般采用底端同 轴馈电，同轴线的内导体穿过
16、基片和贴片连接，而外导体连接在接地板上。微带天线按 辐射元的形状可分为多种类型，GPS常用的是矩形和圆形微带天线。、君癌蹴涌f ne渤麻冲 成涕脾海的图1微带天线示意图微带贴片天线可看作是，在导体贴片与接地板之间激励的射频电磁场，通过贴片 四周与接地板之间的缝隙而产生的向外辐射。3.3.3微带天线的分析方法与设计流程分析微带天线的基本理论大致可分为三类：传输线理论、空腔理论和全波理论3最早出现的也最简单的是传输线模型理论，主要用于矩形贴片。该理论将微带天 线看成两个正交的、终端开路的传输线，传输准TEM波。更严格更有用的是空腔模型 理论，可用于各种规则贴片，该理论将贴片与接地板之间的空间看成是
17、四周为磁壁、上 下为电壁的谐振空腔，天线辐射场由空腔四周的等效磁流来得出，天线输入阻抗可根 据空腔内场和馈源边界条件来求得。最严格而计算最复杂的是积分方程法，即全波理 论。从原理上说，全波理论可用于任何微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限 制。微带天线的分析方法可分为两大类：一类是简化分析模型，模型简单，但不够精 确，且不适用于复杂结构的天线；另一类是全波分析模型，计算复杂，但能对各种结 构微带天线进行分析。a. 简化分析模型简化分析模型包括传输线模型、空腔模型及由空腔模型发展而来的多端口网络模 型。这些模型都是通过某些合理的近似来简化问题的分析。如传输线模型，是将一矩 形微带天线等效为
18、一段微带传输线；空腔模型是将微带贴片与接地板之间的空腔看成 四周为磁壁、上下为电壁的谐振腔，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远 小于波长的情况；多端口网络模型是把贴片表示为四周带一些端口的二维平面电路， 再把贴片外部场（边缘场、表面波场和辐射场）用等效的集总参数网络来模拟。这些 模型，因其分析简单，在天线的实际设计中得到了广泛的应用，但是由于这些模型忽 略了场在与贴片垂直方向上的变化，对于电厚度微带天线，得到的谐振频率和输入阻 抗的解就不够准确了。为了克服简化模型的缺点，许多人在模型的精度、应用范围方 面做了大量的研究工作。如发展了一些改进的传输线模型，将多端口网络模型应用到 覆盖介质
19、层的微带天线等。b. 全波分析模型全波分析即通常所说的积分方程法，这种方法能处理任意结构、任意厚度的微带 天线，通常的做法是根据截至和空气分界面处的边界条件，利用合适的并矢格林函数， 建立贴片表面位置电流满足的积分方程，应用矩量法解此积分方程，得到贴片表面的 电流分布，从而计算出天线的各种参数。根据对积分方程积分变量的处理方法的不同， 又可将其分为空间域矩量法及谱域矩量分析法。近年来，在，全波分析因其精确性及 通用性，逐渐在微带天线分析领域占领了主导地位，已用来分析各类结构的天线问题， 如对同轴馈点的无限及有限贴片阵列天线的分析、对孔径耦合天线和多层结构微带天 线的分析。近年来，一种时域全波分
20、析方法一时域有限差分（FDTD）法在对微带天线进行仿 真分析方面崭露头角，它能直接获得时域解，并可通过傅里叶变换得到所需频率范围 内的频响特性；能灵活地处理不规则形状贴片以及分层、不均匀、有耗、色散媒质等 问题。FDTD法是直接对时域Maxwell两个旋度方程进行空间、时间离散，得到Yee 氏的二阶中心差分方程组，电磁波的传播和耦合可通过迭代每一空间网格的电磁场差 分方程完成，非常适合接收机编程。圆极化技术微带天线获得圆极化的关键是激励起两个极化方向正交、幅度相等、相位差90 度的线极化波。对于单点馈电的GPS微带天线来说，主要通过切角和偏置馈电来实现, 切角包括辐射元切角和基片切角。目前，用
21、微带天线实现圆极化辐射主要有以下四种 方法： 正交馈电的单片圆极化微带天线； 一点馈电的单片圆极化微带天线； 由曲线微带构成的宽频带圆极化微带天线； 微带天线阵构成的圆极化微带天线。贴片天线设计及计算机流程贴片天线是宽波束天线，在天顶具有最大增益。该天线的缺点是增益低。根据腔模理论，如图3所示的微带贴片天线用带线或同轴探针激励时，电磁场 在贴片和接地板间建立。由于h ,电场只有z向分量EZ。矩形贴片可当成一 等效的开路边界的谐振腔，它四周为理想磁壁，周壁磁场等于零；上下壁为理想电 壁。图2矩形微带天线示意图其特征函数满足齐次波动方程及腔边界条件，有（1）（2）（3）(v 2 + k 2 Z =
22、 0mn mn印，mn = 0dn利用格林第一恒等式，经变换可得jj IVV I2 ds、k 2 = s_ mmn jj IV I2 ds， mns式中s为包围源的表面，式（3）是波数的变分表示。对于矩形微带天线: m n)r n n)=sinXsinymnV W)V L )V22kmn式中W、L分别为矩形微带天线的宽边和长边尺寸。已知介质基板特性（e,tan5 , h, c ）,工作频率f和馈电方式，设计及计算步 骤如下：1）首先由谐振条件确定贴片长度a；2）应用矩形贴片数值全波分析解的曲线拟合找到Q和C0;3）由贴片的Q和长度a，确定切角尺寸、谐振频率和模等效电路各单元值；4）计入馈电和探
23、针电路单元，由等效电路计算出阻抗与频率的关系；5）按照贴片有两个辐射边界形成一个二元阵的磁流辐射模型，计入介质基板 对辐射影响因素，对贴片天线二正交面的方向图进行计算。3.4微带天线技术的发展从五十年代以来，微带天线在理论、设计和应用上已经取得很大进展，但与日益 发展的雷达技术、通讯技术和新型电子系统的需求相比，还需进一步发展以下新型技 术：有源化：为了制作用于卫星的多波束天线、相控阵天线及提高接收信噪比，都迫 切需要发展微带阵元或子阵与固态有源模块的集成技术。高性能化：开展提高增益、降低旁瓣和交叉极化电平、以及展宽频带等方面的研 究。低廉化：开展应用低廉材料、改进设计、实现高性能价格比方面的
24、研究。材料开发：开展在高介电常数、高导磁率、旋磁、半导体、超导体材料上的微带 辐射元的研究与应用。计算机辅助设计技术(CAD)和计算机辅助制造技术(CAM)：建立实际天线结 构的更精确的数学模型，发展可靠易行的设计公式和程序。4总结GPS接收机天线是宽波束圆极化天线，具有近似上半球形的振幅和相位响应。微 带贴片天线和四臂螺旋天线是目前应用较多的两种GPS天线，其中四臂螺旋天线被 认为是理想的GPS天线，但微带天线由于成本低而得到广泛应用。今后一个时期， GPS天线将向小型化、多频段、抗干扰等方向发展。参考文献1 袁建平等.卫星导航原理及应用M.北京:中国宇航出版社,2003.35492 邵联军
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