CC BY
587
УДК 621.396.67
Е.Р. Гафаров, Ю.П. Саломатов
Трехчастотная антенна ГЛОНАСС/GPS
Представлены результаты электродинамического моделирования характеристик трехчастотной микрополосковой антенны (МПА) круговой поляризации, предназначенной для работы в составе радиоприемного устройства навигационных систем ГЛОНАСС/GPS. Рассмотрены вопросы исполнения антенны в единой реализации с одной точкой питания. Исследованы характеристики антенны в диапазонах L1, L2, L3/L5.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, GPS, спутниковая радионавигационная система, микрополос-ковая антенна.
Аппаратура спутниковых навигационных систем (СНС) становится все более массовым средством, которое находит применение в различных областях нашей жизни. Спутниковые радионавигационные системы являются неотъемлемой частью навигационных систем в авиации и морском транспорте. С их помощью осуществляется контроль над грузовыми перевозками (автомобильными, железнодорожными, морскими), ведется поиск людей в чрезвычайных ситуациях, отслеживается местонахождение потерянных и угнанных транспортных средств, проводятся геодезические, метеорологические работы и многое другое.
Использование диапазона L1 спутниковой радионавигации (стандартной точности) необходимо и достаточно для применений в гражданской отрасли [1]. Совместное с L1 применение диапазона L2 (высокой точности) позволяет устранить ионосферную ошибку определения координат и находит применение в высокоточных системах глобального позиционирования [2, 3]. Однако в 2011 г. запущен спутник для работы с сигналами диапазона L3. Преимущество использования дополнительного диапазона частот передачи навигационного сигнала космическим аппаратом «ГЛОНАСС-К» позволит повысить точность определения координат навигационными приемниками за счет совместной обработки всех трех диапазонов частот. За счет использования аппаратом «ГЛОНАСС-К» пяти сигналов на трех частотах, количество ошибок, которые может нести каждый сигнал, снижается, т.к. профессиональная аппаратура способна отсечь ошибки, соотнося данные каждого сигнала друг с другом. Дополнительная частота L3 с кодовым разделением сигнала, что в совокупности в два раза повышает точность определения положения.
Таким образом, для работы в трех диапазонах частот, помимо высококачественного приемника, необходимо применение высокоточного антенного устройства, удовлетворяющего необходимым характеристикам системы радионавигации.
Далее представлены результаты исследования компактной трехчастотной антенны
ГЛОНАСС/GPS.
Моделирование квадратурного делителя мощности. На начальном этапе разработки антенны было решено использовать делитель мощности с разностью фаз в двух плечах 90°. Применение такого делителя в единой реализации с излучателем позволит улучшить поляризационную характеристику антенны и значительно сократить массогабаритные показатели. Квадратурный делитель мощности выполнен в виде гибридного кольца. Задача делителя - распределить подводимую мощность с одного коаксиального входа на две точки питания со смещением по фазе в 90°. Делитель выполнен на отдельном слое. Подстилающий диэлектрик с диэлектрической проницаемостью Єї = 10,2 (Duroid 6010), толщина диэлектрика H1 = 0,635 мм. Центральная частота 1,35 ГГц. Диаметр делителя мощности D1 = 23,3 мм, D2 = 24,8 мм. Ширина подводящих линий рассчитана на сопротивление 50 Ом и равна F = 0,6 мм. На рис. 1 приведены характеристики делителя мощности. На рис. 2 представлен квадратурный делитель мощности с указанием размеров.
Данный квадратурный делитель обеспечивает неравное деление мощности на собственной центральной частоте (пик параметра S11), несколько лучше на центральных частотах диапазонов L1 (1,575 ГГц), L2 (1,237 ГГц), L3 (1,202 ГГц). Делитель обеспечивает сдвиг фаз 90±3° на частотах, перекрывающих диапазоны радионавигации.
£
(Й
&
с
Со
и
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
-18
-20
-22
^
^ ч.
1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5
Частота, ГГц а
1,6 1,7
Частота, ГГц б
Рис. 1. Характеристики квадратурного делителя мощности: а - сплошная линия - £31, пунктирная - £2Ь точечная - £п; б - разность фаз в выходных плечах делителя
4
Если бы для реализации двух точек питания со сдвигом фаз между ними 90° использовалась линия задержки, рассчитанная на частоту 1,35 ГГц, неравномерность в полосе рабочих частот нужных диапазонов составила бы порядка 90±15°. Такая неравномерность не желательна для получения требуемого коэффициента эллиптичности антенны.
Моделирование МПА. Микрополосковая антенна выполнена в виде трех слоев, первый из которых - делитель мощности, второй и третий слои - микрополосковые излучатели. В качестве подложки излучателей используется материал толщиной Н2 = 4 мм с диэлектрической проницаемостью е2 = 4.
Рис. 2. Квадратурный делитель
КЗ
К2
м
т
о
Н1
Н2
Н2
Частота, ГГц
а б
Рис. 3. Размеры излучателей МПА (а), коэффициент отражения МПА (б)
1
Как показал предварительный расчет, размеры верхнего резонатора КЗ = 41,6 мм, размер нижнего К2 = 54 мм. Размер экрана и подложек составил К1 = 80 мм. Мощность от делителя подводится к верхнему резонатору посредством питающих штырей сквозь отверстия в нижнем излучателе. Расстояние от центра до точки питания Р = 13,3 мм выбрано исходя из оптимального согласования на
сопротивление 50 Ом. На рис. 3 представлен вид сверху и вид сбоку для МПА с указанием размеров и коэффициент отражения антенны. По уровню -10 дБ коэффициент отражения охватывает диапазоны частот 1,150-1,366 и 1,560-1,630 ГГц, что полностью перекрывает диапазоны частот Ь1 = 1565-1615, 12 = 1,217-1,257, 13 = 1,192-1,212, 15 = 1,162-1,192 ГГц.
Частота, ГГц
Рис. 4. Диаграммы направленности для правой круговой поляризации (сплошной линией) и кросс-поляризации (пунктирной линией) на частотах 1,175, 1,225, 1,575 ГГц
Как видно из рис. 4 нормированные диаграммы направленности для правой круговой поляризации на частотах диапазонов L1, L2, L3 обладают шириной порядка 90-110o по уровню -3 дБ. Глав -ный лепесток диаграммы равномерно спадает от центра к краю. Уровень кроссполяризации в диапазоне углов места ±90o не превышает -10 дБ для частот диапазона L1 и -18 дБ для L2 и L3. Коэффициент усиления в полосе рабочих частот диапазона L1 не ниже 5 дБ, в диапазонах L2 и L3 -не ниже 4 дБ. Коэффициент эллиптичности антенны в полосе рабочих частот диапазонов L2 и L3 не ниже 0,7 во всей верхней полусфере рабочих углов места ±75o, на частотах диапазона L1 коэффициент эллиптичности не менее 0,5.
Заключение. Проведено исследование трехчастотной микрополосковой антенны, показано, что применение двух излучателей в совокупности с квадратурным делителем мощности позволяет принимать сигналы трех диапазонов частот L1, L2 и L3 спутниковой радионавигации. Единая реализация антенны позволила существенно сократить размеры, тем самым повысив применимость данной антенны в различных областях высокоточных измерений. Высота структуры составляет порядка 9 мм. Максимальный габаритный размер 80x80 мм. Следует отметить основные преимущества рассматриваемой антенны:
1) низкопрофильность структуры антенны;
2) малая масса и габариты;
3) одна точка питания;
4) КСВ не более 2 в диапазонах рабочих частот;
5) коэффициент усиления не ниже 4 дБ в диапазонах рабочих частот;
6) ширина ДН порядка 90-110o по уровню -3 дБ.
В дальнейшем возможно применение данной антенны в составе замедляющей структуры для повышения эффективности с точки зрения подавления многолучевой интерференции [4].
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (конкурс 2011-1.3.2-215-009).
Литература
1. Lin Sh.Y. A Compact Microstrip Antenna for GPS and DCS Application / Shun-Yun Lin, Kuang-Chih Huang // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - 2005. - Vol. 53, № 3. - P. 1227-1229.
2. Basilio L.I. A comparative study of a new GPS reduced-surface-wave antenna / Lorena I. Basilio, Jeffery T. Williams, David R. Jackson, Michael A. Khayat // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. - 2005. - Vol. 4. - P. 233-236.
3. Basilio L.I. A New Planar Dual-Band GPS Antenna Designed for Reduced Susceptibility to Low-Angle Multipath / L.I. Basilio, R.L. Chen, J.T. Williams, D.R. Jackson // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - August 2007. - Vol. 55, № 8. - P. 2358-2366.
4. Гафаров Е.Р Антенна ГЛОНАСС/GPS с частотно-селективной поверхностью / Е.Р Гафаров, Ю.П. Саломатов // Известия высших учебных заведений. Физика. Ежемесячный научный журнал (Томск). - 2010. - Т. 53, № 9/2. - С. 60-61.
Гафаров Евгений Раисович
Аспирант каф. радиотехники Института инженерной физики и радиоэлектроники (ИИФиРЭ) СФУ Тел.: 8-923-306-27-05 Эл. почта: slazen@mail.ru
Саломатов Юрий Петрович
Канд. техн. наук, доцент, заместитель директора, зав. каф. радиотехники ИИФиРЭ СФУ
Тел.: 8 (391-2) 91-29-67
Эл. почта: YSalomatov@sfu-kras.ru
Gafarov E.R., Salomatov Y.P.
Tri-band GLONASS/GPS antenna
In the article there are presented the results of electrodynamic simulation of tri-band microstrip antenna characteristics (MSA), designed to work in the radio receiver GLONASS/GPS. There are considered the performance issues in a single antenna implementation with a single point of supply. The performance of the antenna in the range of L1, L2, L3/L5 is investigated.
Keywords: GLONASS, GPS, radio navigation system, microstrip antenna.
