摘要
北斗卫星导航定位是我国自主开发的一项全球定位系统技术，在国家信息产业领域占有重要地位。天线是导航系统用来接收北斗信号重要的部分，近年来微带天线以其低剖面、易与载体共形等优点而被广泛使用。然而北斗天线设计的可共形性及其阵列单元设计的小型化问题仍是人们关注的重点，为此本文主要开展基于北斗的高动态圆柱共形微带天线以及共形阵列天线的设计。
首先开展了微带天线基本理论的研究工作，根据微带天线的辐射原理、馈电方式以及阻抗匹配相关的原理，分析了一般共形微带天线的研究方法，提出了用腔模理论分析圆柱共形微带天线阵的方案。 其次根据平面微带天线小型化的设计方案，进行了对微带馈线支节弯折解决天线阻抗匹配的设计，优化了平面微带天线的性能。仿真和加工实物测试表明，设计的平面微带天线在北斗B1频段电压驻波比小于2，圆极化性能良好，轴比小于3dB，在阻抗匹配良好的情况下，实现了天线的小型化设计，为共形微带天线的研究和应用提供理论及仿真依据。 基于将单支节调配器用于曲面的思想，进行了北斗圆柱共形微带天线的设计，进行了二单元北斗圆柱共形阵列天线的HFSS仿真，研制了北斗天线实物，测试结果表明，该天线具有良好的阻抗带宽，VSWR<2，增益为7.25dB，圆极化性能良好，基本满足高动态条件下北斗天线工程使用要求。
关键词：北斗，高动态，微带共形天线，共形阵列
Design of High Dynamic Cylindrical Conformal Microstrip Array
Beidou Antenna
Abstract
Beidou satellite navigation and positioning is China's independent development of a global positioning system technology,in the field of national information industry occupies an important position.Antenna is an important part of the navigation system used to receive the Beidou signal.In recent years,the microstrip antenna has been widely used with its low profile,easy to conform to the carrier and so on.However,the conformability of the Beidou antenna design and the miniaturization of the design of the array unit are still the focus of attention.For this reason,the design of the high dynamic cylindrical conformal microstrip antenna and the conformal array antenna based on the Beidou is mainly carried out.
Based on the principle of microstrip antenna radiation,the feeding method and the principle of impedance matching,the research methods of general conformal microstrip antenna are analyzed,an
d the method of cavity analysis is used to analyze the microstructures. The scheme of conformal microstrip antenna array.
Secondly,according to the miniaturization design of the microstrip antenna,the design of the antenna impedance matching for the microstrip feeder branch bending is optimized,and the performance of the planar microstrip antenna is optimized.Simulation and processing of physical tests show that the design of the planar microstrip antenna in the Beidou B1 frequency VSWR is less than2,the circular polarization performance is good,the shaft ratio is less than3dB,in the case of good impedance matching,to achieve the miniaturization of the antenna design,Which provides theoretical and simulation basis for the research and application of conformal microstrip antenna.
Based on the idea of using a single-section dispenser for the surface,the design of the Beidou cylindrical conformal microstrip antenna is carried out.The HFSS simulation of the two-element Beidou cylindrical conformal array antenna is carried out and the Beidou antenna is developed.The test results show that the antenna Has a good impedance bandwidth, VSWR<2,the gain is7.25dB,round polarization performance is good,basically meet the high dynamic conditions under the Beidou antenna engineering requirements.
Keywords:Beidou,high dynamic,microstrip conformal antenna,conformal array
目录
1绪论
1.1课题的研究背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1北斗卫星导航中天线的研究现状 (2)
1.2.2共形天线技术国内外研究现状 (3)
1.2.3微带阵列天线的研究现状 (5)
1.3本论文的研究内容和结构安排 (8)
2高动态北斗共形微带天线基本理论研究
2.1微带天线基本理论 (10)
2.1.1微带天线的辐射原理 (10)
2.1.2微带天线的馈电方式 (11)
2.1.3微带天线阻抗匹配相关原理 (14)
2.2共形微带天线的分析方法 (15)
2.3圆柱共形微带天线阵的分析方法 (16)
2.4本章小结 (20)
3高动态北斗平面共形微带天线设计及优化
3.1平面微带天线设计及仿真 (21)
3.1.1介质基板的选取 (22)
3.1.2贴片单元尺寸的确定 (23)
3.1.3馈电方式及阻抗匹配的选取 (24)
3.1.4微带天线馈线无弯折单支节调配器仿真结果 (25)
3.1.5微带天线馈线弯折单支节调配器仿真分析 (27)
3.2平面微带天线测试及结果分析 (29)
3.3本章小结 (31)
4北斗柱面共形微带天线结构设计及仿真
I
4.1北斗柱面共形微带天线建模及设计 (32)
4.2天线性能影响因素探究 (34)
4.2.1贴片边长对天线性能影响 (34)
4.2.2圆柱半径对天线性能的影响 (37)
4.2.3馈线弯折对天线性能的影响 (39)
4.3本章小结 (40)
5基于北斗的柱面阵列天线设计仿真
5.1单元天线仿真设计 (41)
5.2馈电网络设计 (45)
5.3天线模型及仿真分析 (47)
5.4天线测试及结果分析 (52)
5.5本章小结 (57)
6总结与展望
6.1总结 (59)
6.2展望 (59)
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果
致谢
II
1绪论
阵列天线
1.1课题的研究背景及意义
北斗卫星导航定位是属于我国自主研发的全球性的定位与导航系统，是一项国家信息领域重点发展的战略性产业，也是涉及国家安全稳定的重大发展规划。在国家政策的强力推动下，目前北斗导航定位系统（BDS）已经广泛应用于航空、航天、安全监测、生产生活等诸多领域，而其中在北斗导航定位系统（BDS）中北斗天线设计的好坏直接影响系统定位的成功与否，因此北斗天线的设计在整个北斗导航系统中都占有很重要的位置。
随着现代通信技术、军事科技的不断发展，各种先进的飞机、无人机、导弹、卫星等飞行器和舰船、车辆等交通运输工具，除了要求其携带的北斗导航天线具有更优异的性能同时更要求北斗天线单元能够安装在它们表面，这种基于北斗的共形天线设计正逐渐得到越来越多研究人员和用户的高度关注，因为它除了可以满足提供系统所需要的天线性能外，还不会影响共形目标的飞行或运动性能。
柱面是飞行器常用的结构，各类飞行器在安装北斗天线时，一般将其共形粘贴在飞行器柱体表面。由于研究的飞行器本身工作在高速、高旋、高过载等高动态条件下，特殊的应用要求，对天线的小型化设计提出了更高的要求。如何设计北斗共形天线都必须优先考虑天线的尺寸问题，这是实现高动态北斗共形天线设计的问题所在。
目前微带天线以其易与复杂载体共形的优点而大量应用在柱面金属等电大尺寸载体共形天线的研究和工程应用中，构成了基于北斗的圆柱形共形微带天线，可以使水平面有良好的全方位覆盖，并称为飞行物等电大尺寸载体共形并达到全向指标天线的最经典的设计。由于研究的飞行器本身工作在高速、高旋、高过载等高动态条件下，且设计微带共形天线要充分考虑在保证天线性能的前提下使天线结构合理、小型化更有利于天线的实际应用，使得北斗圆柱共形微带天线也连续成为业界的关注的重点和研究难点。
微带共形阵列天线是设计圆柱载体天线经常用到的一种方式[1]。但是当载体的直径尺寸较大时，一般
会通过增加共形阵单元数即对应的增加馈电网络数来满足H面全向覆盖的要求，这样的话馈电网络就会变的很复杂，针对这一问题，如何简化馈电网络的设
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