一種寬頻帶衛星導航天線陣列的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及天線陣列領域，尤其涉及一種寬頻帶衛星導航天線陣列。
【背景技術】
[0002] GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)泛指全球導航衛星系統。衛星導航 以其覆蓋范圍廣、通信容量大、傳輸質量好等優點已經融入了國民經濟建設、國防建設和社 會發展的各個應用領域。目前3全球導航衛星系統包括美國的GPS系統、俄羅斯的GLONASS 系統、歐洲的GALILEO系統以及我國的北斗衛星導航系統。
[0003] "北斗一號"衛星導航定位系統是我國獨立自主研制的第一代衛星導航定位系 統，是一種新型、全天候、較高精度、區域性中國境內的衛星導航定位系統，具有快速定位導 航、雙向簡短報文通信和定時三大功能。目前已經正式投入運行。導航定位使用頻段是 1610-1626. 5MHz(L頻段，上行鏈路）；2483. 5-2500MHz(S頻段，下行鏈路）。"北斗二代" 是繼"北斗一號"系統后的中國新一代衛星導航系統。該系統共由25顆靜止衛星及兩個 移動衛星網絡構成，導航定位使用頻段是1164-1215MHZ(下行）；1260-1300MHz(下行）； 1300-1350MHZ(上行）。
[0004]由于各種衛星導航系統在空間的分布有限，提供衛星定位服務的安全性、精度性、 可靠性等無法得到保障，因此采用多種衛星導航系統組成的多模導航接收系統的研宄受到 廣泛重視。
[0005]均勻圓陣列是一種能夠滿足衛星導航天線多模要求的一種寬帶陣列。
[0006]均勻圓陣列是由均勻分布在一個圓周上或多個同心圓上的陣列單元構成的。由其 自身結構決定，與其它陣列相比，均勻圓陣列天線有著許多獨特的優越性能。在雷達、無線 通信等許多領域中，需要天線陣列具有在方位面360°掃描的能力。由于均勻圓陣列的圓周 旋轉對稱性，只需要轉換各單元的加權矢量，就可以使波束實現平面內的均勻掃描；可以在 方位面上形成無方向性方向圖，而在俯仰面上也有較理想的方向特性，可以基本維持天線 的波束形狀和天線增益，均勻圓陣列具有波束"零點"可全方向操縱的特性，因此對于干擾 的抑制方法主要為方向圖零點綜合和數字波束形成技術。相對于其他平面陣，均勻圓陣列 所需陣列單元少，所占空間小，因此便于小型化，與移動載體共形，應用范圍更廣。陣列單元 之間互耦平衡，易于實現寬角掃描匹配。
[0007] 但是，均勻圓陣列同樣存在一些固有的缺點，如副瓣電平較高、零值深度較淺等。 由于衛星導航接收機接收到的導航信號功率極小，比如GPS接收機收到的有效GPS導航的 載波功率僅為-161. 45dBW。因此，對于GBS接收機的抗干擾研宄是非常有必要的。
【發明內容】
[0008] 本發明的目的在于提供一種副瓣電平較低的寬頻帶衛星導航天線陣列，以解決 上述【背景技術】中提出的問題。
[0009]為實現上述目的，本發明提供如下技術方案： 一種寬頻帶衛星導航天線陣列，設陣列最大波束指向為9=30°，it=30 °，陣列 參數為：陣列半徑為〇.22m，陣元數目為16,各單元等幅激勵；當陣列工作于中心頻率 f=1361. 5MHz時，陣列俯仰面半功率波束寬度BW0 =22. 65deg，副瓣電平SILL0 =-7. 90dB， 當陣列工作于低頻f=1164MHz時，陣列俯仰面半功率波束寬度BW0 =25. 25deg，副瓣電平 SILL0 =-7. 90dB;當陣列工作于中心頻率f=1361. 5MHz時，陣列方位面半功率波束寬度 BWit=41.lOdeg，副瓣電平SILL$=-7. 90dB;當陣列工作于低頻f=1164MHz時，陣列方位面 半功率波束寬度BW步=46. 16deg，副瓣電平SILL步=-7. 90dB。
[0010] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明天線的工作頻帶滿足 1164-1559MHZ(中心頻率1361. 5MHz)的帶寬要求，相對帶寬為29%。即使陣列工作于低頻 時，整個陣列的系統性能下降后依然能夠滿足設計的要求。
【附圖說明】
[0011] 圖1是球坐標中的天線； 圖2是N兀圓環陣列； 圖3是a=0. 7A，a=A，a=l. 3A時陣列俯仰面方向圖； 圖4是a=0. 7A，a=A，a=l. 3A時陣列方位面方向圖； 圖5是陣列工作于低頻、中心頻率和高頻時陣列俯仰面方向圖 圖6是陣列工作于低頻、中心頻率和高頻時陣列方向面方向圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的 實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都 屬于本發明保護的范圍。
[0013] 實施例1 1. 1輻射方向圖 天線的輻射方向圖是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。所謂輻射參量包括 輻射的功率通量密度、場強、相位和極化，在通常情況下，輻射方向圖在遠區測定，并表示為 空間方向坐標的函數。實際上，天線輻射能量的空間分布，在沒有特別指明的情況下，輻射 方向圖一般均指功率通量密度的空間分布，有時指場強的空間分布。
[0014] 取坐標系如圖1所示，天線位于坐標原點。在距天線等距離（r=常數）的球面上， 天線在各點產生的功率通量密度或場強（電場或磁場）隨空間方向的變化曲線，稱為功率 方向圖或場強方向圖，它們的數學表達式稱為功率方向函數或場強方向函數。
[0015] 天線在（9，$)方向輻射的電場強度E( 0，$)的大小可以寫成
式中A0--與方向無關的常數；f( 9，步）--場強方向函數。由式（1-1)，
實際上常用功率通量密度或場強的歸一值表示方向圖，稱為歸一化方向圖。
[0016]設S( 0，步）和E( 0，步）為（0，步）方向的功率通量密度和電場強度，歸一化功 率方向圖P(9,步）和歸一化場強方向圖F(0，步）為
式中SM和EM-一分別是功率通量密度和場強的最大值。顯然
1.2方向系數 天線的方向系數是一個數字定量地表示輻射電磁能量集束程度以描述方向特性的一 個參數，又叫做方向性系數或方向性增益。
[0017] 由天線輻射方向圖定義，輻射強度可以表示為
式中，UM---天線在最大方向的福射強度； F( 0 ,it)--天線的歸一化場強方向函數。
[0018] 整個天線的總輻射功率：
天線在某一方向的方向系數D(0, 1]〇是該方向輻射強度u(0, 1]〇與平均輻射強 度之比，平均輻射強度為是||/41，即
將式（1_6)和式（1-7)代入式（1-8)，得
在最大輻射方向，F( 0，1]〇=1，最大輻射方向的方向系數：
1. 3波瓣寬度 方向圖形狀還可用方向圖參數簡單地定量表示。如果方向圖只有一個主波束，輻射功 率的集中程度可用兩個主平面內的波瓣寬度來表征。主瓣最大值兩側的兩個第一零輻射方 向之間的夾角稱為零功率波瓣寬度，記為和14|#，下腳標E和H分別表示E面和H面。 主瓣最大值兩側，功率通量密度下降到最大值的一半(或場強下降到最大值的〇. 707)，即下 降3分貝的兩個方向之間的夾角稱為半功率波瓣寬度，記為和。
[0019] 1.4副瓣電平 所謂副瓣電平，一般是指主瓣旁邊第一個副瓣最大值(通常是最大的副瓣最大值）小于 主瓣最大值的分貝數，記為I；。前后輻射比是主瓣最大值與后半最大值之比的分貝數，記為 "。按定義：
式中和--對應最大副瓣最大值的功率通量密度和電場強度； Sb和Eb-一在主瓣最大值方向的反方向的功率通量密度和電場強度。
[0020] 2方向圖乘積定理 用|/(沒I表示天線陣的場強幅度方向函數，得
Y/0^一一天線元的方向函數，僅與天線元的形式和尺寸有關，稱為單元因子; |/9(約|與天線陣的元電流分布li、空間分布di的元的個數n有關，而與天線元型式和尺寸 無關，稱為陣因子。從式（1-13)可知，在各天線元為相同元的條件下，天線陣的方向函數是 單元因子和陣因子之積。這就是天線陣方向函數或方向圖乘積定理。
[0021] 在一般情況下，在球坐標系中，單元因子和陣因子不僅是0的函數，還可能是方 位角步的函數，故天線陣方向圖成績定理的一般形式是 3圓陣列的萬冋凼數
由多個輻射元沿著圓環排列而組成的平面陣稱為圓環陣列。在無線電測向、雷達、導 航、地下探測以及其他系統中都采用了圓環陣列。圓環陣列不僅能產生全向方向圖，也能產 生最大值指向陣面法線方向的單波束方向圖。
[0022] 設有N個各向同性輻射元沿著半徑為a的圓周排列而構成了圓環陣如圖2。
[0023] 圓環陣位于xoy平面上。把每個單元對遠區場點的貢獻疊加起來就可以求得圓環 陣的遠場方向圖函數：
) 其中1〇是位于'滬=&處的第n單元的激勵電流，是相應的激勵相位（以陣中 心為參考點)。如果主瓣波束最大值指向為
，則第n單元的激勵相位應選為
-17) 為了把上式化成較簡單的形式，定義兩個新變量和，： (1-19)
于是（1-16)式可以改寫成一種簡潔的形式：
只要給定a、N、4、％、略、％，便可利用以上三個式子計算單圓環陣 列的方向圖。如果圓環陣中各單元為等幅激勵，并沿圓周等距排列呈角對稱，即 =2^Tff/iV，則式（1-16)各項可展成貝塞爾函數的級數，即
式中mN是指貝3爾函數的階是序數m與單元&數N的乘積，含有零階貝g 爾函數M^p)的項稱為主項，其余稱為余項。下面研宄幾種特殊情況： 主瓣最大值