多頻全向GNSS天線設(shè)計：原理、挑戰(zhàn)與創(chuàng)新實踐一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）已成為現(xiàn)代導(dǎo)航定位領(lǐng)域的核心技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。GNSS通過衛(wèi)星發(fā)射的信號，能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)的實時定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，其精度和可靠性不斷提高，在交通運(yùn)輸、航空航天、測繪勘探、農(nóng)業(yè)、軍事等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。多頻全向GNSS天線作為GNSS系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，承擔(dān)著接收衛(wèi)星信號的重要任務(wù)。其性能的優(yōu)劣直接影響著GNSS系統(tǒng)的定位精度、可靠性以及信號接收的穩(wěn)定性。在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中，如城市高樓林立的街道、山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域，以及航空航天、航海等特殊場景下，多頻全向GNSS天線需要具備良好的全向輻射特性，能夠在各個方向上均勻地接收衛(wèi)星信號，以確保系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取準(zhǔn)確的定位信息。同時，隨著GNSS技術(shù)的不斷發(fā)展，對天線的多頻接收能力也提出了更高的要求。多頻全向GNSS天線能夠同時接收多個頻段的衛(wèi)星信號，這不僅可以提高定位精度，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，適應(yīng)不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和復(fù)雜信號環(huán)境的需求。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，多頻全向GNSS天線廣泛應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、智能交通管理等方面。精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航信息能夠幫助駕駛員規(guī)劃最優(yōu)路線，避免交通擁堵，提高出行效率。同時，車輛的實時位置監(jiān)控也有助于交通管理部門進(jìn)行有效的交通調(diào)度和安全監(jiān)管，減少交通事故的發(fā)生。在航空航天領(lǐng)域，GNSS技術(shù)是飛機(jī)導(dǎo)航、飛行控制和航天器軌道確定的重要手段。多頻全向GNSS天線能夠為飛行器提供精確的位置、速度和姿態(tài)信息，確保飛行安全和任務(wù)的順利完成。在測繪勘探領(lǐng)域，高精度的GNSS定位技術(shù)可以實現(xiàn)對地形地貌的精確測量和繪制，為城市規(guī)劃、資源勘探等提供重要的數(shù)據(jù)支持。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開GNSS技術(shù)的支持。多頻全向GNSS天線可以幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械實現(xiàn)自動導(dǎo)航和精準(zhǔn)作業(yè)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少資源浪費(fèi)。在軍事領(lǐng)域，GNSS技術(shù)在武器制導(dǎo)、部隊定位和作戰(zhàn)指揮等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，多頻全向GNSS天線的高性能保障了軍事行動的精確性和高效性。綜上所述，多頻全向GNSS天線在現(xiàn)代導(dǎo)航定位中具有重要的地位，其性能的提升對于推動各行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。通過對多頻全向GNSS天線的設(shè)計進(jìn)行深入研究，不斷優(yōu)化其性能，能夠滿足日益增長的高精度、高可靠性導(dǎo)航定位需求，為各行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供有力支撐。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀多頻全向GNSS天線的設(shè)計研究在國內(nèi)外均受到廣泛關(guān)注，取得了一系列具有重要價值的成果，同時也在不斷探索中面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。國外在多頻全向GNSS天線設(shè)計領(lǐng)域起步較早，積累了豐富的經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢。美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)在該領(lǐng)域投入大量資源，開展深入研究。例如，美國的一些研究團(tuán)隊致力于開發(fā)高性能的多頻全向天線，通過優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇，提高天線在復(fù)雜環(huán)境下的信號接收能力。他們利用先進(jìn)的電磁仿真軟件，對天線的輻射特性、阻抗匹配等性能進(jìn)行精確分析和優(yōu)化，研發(fā)出適用于航空航天、軍事等高端領(lǐng)域的多頻全向GNSS天線產(chǎn)品。歐洲的科研人員則注重從理論層面深入探究天線的多頻工作原理和全向輻射特性，提出了多種創(chuàng)新性的天線設(shè)計理念和方法。他們在天線的小型化、集成化方面取得顯著進(jìn)展，將多頻全向GNSS天線與其他通信模塊集成在一起，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高度集成和小型化，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對緊湊化、多功能化的需求。在國內(nèi)，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和完善，多頻全向GNSS天線的研究也得到了快速發(fā)展。眾多高校、科研院所和企業(yè)積極參與到相關(guān)研究中，在技術(shù)突破和產(chǎn)品研發(fā)方面取得了令人矚目的成績。一些高校的科研團(tuán)隊在多頻全向GNSS天線的基礎(chǔ)理論研究方面深入探索，提出了新的天線設(shè)計思路和算法。通過對天線的輻射機(jī)理、多頻信號耦合等問題的研究，為天線的優(yōu)化設(shè)計提供了理論支持。國內(nèi)企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面表現(xiàn)突出，推出了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多頻全向GNSS天線產(chǎn)品，在性能上逐漸接近甚至超越國外同類產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、測繪、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，有力推動了我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前的研究在多頻全向GNSS天線的性能提升方面取得了顯著優(yōu)勢。在多頻接收能力上，通過采用多模多頻技術(shù)，天線能夠同時接收多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不同頻段信號，有效提高了定位精度和可靠性。例如，一些先進(jìn)的多頻全向GNSS天線能夠同時接收GPS、北斗、GLONASS和Galileo等多個系統(tǒng)的L1、L2、L5等頻段信號，通過融合處理這些信號，實現(xiàn)了更高精度的定位。在全向輻射特性方面，通過優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如采用對稱結(jié)構(gòu)、多振子布局等方式，使天線在水平方向上能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的信號輻射和接收，減少了信號盲區(qū)，提高了在復(fù)雜環(huán)境下的信號接收能力。然而，現(xiàn)有研究也存在一些不足之處。在抗干擾能力方面，盡管已經(jīng)采取了多種抗干擾措施，如采用濾波技術(shù)、屏蔽設(shè)計等，但在強(qiáng)干擾環(huán)境下，天線仍容易受到干擾，導(dǎo)致信號失真和定位精度下降。尤其是在城市中，大量的電子設(shè)備和通信基站產(chǎn)生的電磁干擾，以及山區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域的多徑效應(yīng)干擾，對天線的抗干擾能力提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在小型化和集成化方面，雖然取得了一定進(jìn)展，但對于一些對尺寸和重量要求極為苛刻的應(yīng)用場景，如可穿戴設(shè)備、微型無人機(jī)等，現(xiàn)有的多頻全向GNSS天線在體積和重量上仍需進(jìn)一步優(yōu)化。同時，如何在實現(xiàn)小型化和集成化的過程中，保證天線的性能不受影響，也是亟待解決的問題。在成本控制方面，一些高性能的多頻全向GNSS天線由于采用了先進(jìn)的材料和復(fù)雜的制造工藝，導(dǎo)致成本較高，限制了其在一些對成本敏感的市場中的應(yīng)用和推廣。1.3研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用多種方法，全面深入地開展多頻全向GNSS天線的設(shè)計工作，旨在突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)性能上的顯著提升和創(chuàng)新。在理論分析方面，深入研究電磁學(xué)、天線理論等相關(guān)基礎(chǔ)理論知識，為多頻全向GNSS天線的設(shè)計奠定堅實的理論基礎(chǔ)。通過對天線的輻射原理、多頻信號耦合機(jī)制以及全向輻射特性的理論剖析，深入理解天線工作的內(nèi)在機(jī)理。例如，運(yùn)用Maxwell方程組等電磁學(xué)理論，分析天線在不同頻率下的電場和磁場分布情況，從而優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以實現(xiàn)更好的多頻接收和全向輻射性能。同時，結(jié)合傳輸線理論，研究天線與饋線之間的匹配問題，減少信號傳輸過程中的損耗，提高信號傳輸效率。通過理論分析，為后續(xù)的仿真模擬和實驗測試提供明確的方向和指導(dǎo)，確保設(shè)計方案的科學(xué)性和可行性。仿真模擬是本研究的重要環(huán)節(jié)，借助先進(jìn)的電磁仿真軟件，如HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）、CST（ComputerSimulationTechnology）等，對多頻全向GNSS天線進(jìn)行建模和仿真分析。在仿真過程中，精確設(shè)置天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性以及工作環(huán)境等條件，模擬天線在實際工作中的性能表現(xiàn)。通過改變天線的形狀、尺寸、饋電方式等參數(shù)，觀察天線的回波損耗、增益、方向圖等性能指標(biāo)的變化情況，從而對天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。例如，利用HFSS軟件對一款新型的多頻全向GNSS天線進(jìn)行仿真，通過不斷調(diào)整天線振子的長度和間距，優(yōu)化天線的阻抗匹配，使天線在多個頻段上的回波損耗均小于-10dB，滿足了良好的阻抗匹配要求。同時，通過仿真分析天線的方向圖，優(yōu)化天線的輻射特性，使其在水平方向上實現(xiàn)較為均勻的全向輻射，提高信號接收的穩(wěn)定性。仿真模擬不僅可以快速驗證設(shè)計方案的可行性，還能大大縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，為實驗測試提供可靠的參考依據(jù)。實驗測試是驗證多頻全向GNSS天線性能的關(guān)鍵步驟。根據(jù)仿真優(yōu)化后的設(shè)計方案，制作天線實物樣機(jī)，并進(jìn)行全面的實驗測試。實驗測試主要包括天線的性能參數(shù)測試和實際應(yīng)用場景測試兩部分。在性能參數(shù)測試方面，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀等專業(yè)測試設(shè)備，對天線的回波損耗、增益、軸比、方向圖等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行精確測量。通過與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性和設(shè)計方案的有效性。例如，對制作好的天線樣機(jī)進(jìn)行回波損耗測試，測試結(jié)果顯示天線在預(yù)定的多個頻段上的回波損耗與仿真結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，證明了仿真模型的可靠性。在實際應(yīng)用場景測試方面，將天線安裝在不同的載體上，如車輛、無人機(jī)、船舶等，在真實的復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行測試，考察天線在實際應(yīng)用中的定位精度、信號接收穩(wěn)定性以及抗干擾能力等性能。例如，將天線安裝在車輛上，在城市道路、山區(qū)等不同地形條件下進(jìn)行行駛測試，通過與高精度的參考定位設(shè)備進(jìn)行對比，評估天線的定位精度和可靠性。實驗測試能夠真實反映天線在實際使用中的性能表現(xiàn)，為進(jìn)一步優(yōu)化天線設(shè)計提供實際的數(shù)據(jù)支持。本研究在多頻全向GNSS天線的設(shè)計中具有多方面的創(chuàng)新點(diǎn)。在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，提出了一種全新的多振子復(fù)合結(jié)構(gòu)，通過巧妙地組合不同類型和尺寸的振子，實現(xiàn)了天線在多個頻段上的高效工作和全向輻射特性的優(yōu)化。這種結(jié)構(gòu)不僅增加了天線的有效輻射面積，提高了天線的增益，還通過合理的布局設(shè)計，減少了不同頻段信號之間的相互干擾，提高了天線的多頻接收能力。在多頻信號處理技術(shù)方面，創(chuàng)新地采用了基于人工智能算法的多頻信號融合處理方法。該方法利用深度學(xué)習(xí)算法對不同頻段的衛(wèi)星信號進(jìn)行特征提取和分析，然后通過智能融合算法將這些信號進(jìn)行優(yōu)化組合，從而提高了定位精度和抗干擾能力。例如，在復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境下，該方法能夠準(zhǔn)確地識別和剔除干擾信號，有效地提高了信號的信噪比，使定位精度比傳統(tǒng)方法提高了30%以上。在小型化和集成化設(shè)計方面，本研究采用了新型的材料和制造工藝，如低溫共燒陶瓷（LTCC）技術(shù)，將天線與射頻前端電路集成在一起，實現(xiàn)了天線的高度集成化和小型化。這種設(shè)計不僅減小了天線的體積和重量，降低了生產(chǎn)成本，還提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，滿足了現(xiàn)代電子設(shè)備對緊湊化、多功能化的需求。二、多頻全向GNSS天線設(shè)計基礎(chǔ)2.1GNSS系統(tǒng)概述2.1.1GNSS系統(tǒng)組成GNSS系統(tǒng)主要由空間段、地面控制段和用戶段三大部分構(gòu)成，各部分相互協(xié)作，共同實現(xiàn)全球范圍內(nèi)的高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。空間段是GNSS系統(tǒng)的核心部分，由多顆在軌運(yùn)行的衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星分布在不同的軌道平面上，通過精密的軌道控制和時間同步，確保在全球范圍內(nèi)任何時刻都能有足夠數(shù)量的衛(wèi)星可供用戶接收信號。以美國的GPS系統(tǒng)為例，其空間段由31顆衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面上，軌道高度約為20200km。這些衛(wèi)星持續(xù)向地面發(fā)射包含自身位置、時間信息以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信號，為用戶提供定位和導(dǎo)航的基本數(shù)據(jù)來源。而我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，空間段則由3顆地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和24顆中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO）構(gòu)成，通過獨(dú)特的星座布局，實現(xiàn)了全球覆蓋，并在亞太地區(qū)提供了更為精準(zhǔn)的服務(wù)。地面控制段負(fù)責(zé)對衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測、控制和管理，確保衛(wèi)星的正常運(yùn)行和信號的準(zhǔn)確性。它主要包括主控站、監(jiān)測站和注入站等設(shè)施。主控站是地面控制段的核心，負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)整個地面控制系統(tǒng)的運(yùn)行，處理監(jiān)測站收集的數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)和時鐘校正信息，并將這些信息發(fā)送給注入站。監(jiān)測站分布在全球各地，通過接收衛(wèi)星信號，實時監(jiān)測衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)、信號質(zhì)量以及空間環(huán)境等信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給主控站進(jìn)行分析和處理。注入站則負(fù)責(zé)將主控站計算得到的衛(wèi)星軌道參數(shù)、時鐘校正信息以及導(dǎo)航電文等數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中，使衛(wèi)星能夠按照預(yù)定的軌道運(yùn)行，并向用戶發(fā)送準(zhǔn)確的信號。例如，GPS系統(tǒng)的地面控制段由位于美國本土的一個主控站、分布在全球的5個監(jiān)測站和3個注入站組成，通過這些設(shè)施的協(xié)同工作，保證了GPS衛(wèi)星信號的高精度和可靠性。用戶段是GNSS系統(tǒng)與用戶之間的接口，包括各種類型的GNSS接收機(jī)以及與之相關(guān)的應(yīng)用設(shè)備和軟件。GNSS接收機(jī)通過接收衛(wèi)星信號，解算出自身的位置、速度和時間信息，并將這些信息提供給用戶使用。用戶段設(shè)備種類繁多，涵蓋了從手持設(shè)備、車載導(dǎo)航系統(tǒng)到航空航天、航海等領(lǐng)域的專業(yè)導(dǎo)航設(shè)備。例如，在日常生活中，人們常用的智能手機(jī)就集成了GNSS接收機(jī)，通過安裝相應(yīng)的導(dǎo)航軟件，可以實現(xiàn)實時定位、導(dǎo)航和路線規(guī)劃等功能。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，車輛、船舶和飛機(jī)等都配備了高精度的GNSS接收機(jī)，用于導(dǎo)航、監(jiān)控和調(diào)度管理。在測繪勘探領(lǐng)域，專業(yè)的GNSS測量設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級甚至毫米級的定位精度，為地形測量、工程建設(shè)等提供精確的數(shù)據(jù)支持。用戶段設(shè)備通過不斷發(fā)展和創(chuàng)新，其功能越來越強(qiáng)大，性能越來越優(yōu)越，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，滿足了不同用戶在各種場景下的定位和導(dǎo)航需求。2.1.2GNSS信號特征GNSS信號具有獨(dú)特的頻率、調(diào)制方式和編碼特征，這些特征不僅決定了信號的傳播特性，也對多頻全向GNSS天線的設(shè)計提出了特定要求。GNSS信號工作在特定的頻率范圍內(nèi)，主要集中在L波段。不同的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用不同的頻率組合，以實現(xiàn)信號的區(qū)分和兼容。例如，GPS系統(tǒng)主要使用L1（1575.42MHz）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）頻段。其中，L1頻段是最早使用的頻段，廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如車載導(dǎo)航、智能手機(jī)定位等；L2頻段主要用于軍事和高精度測量領(lǐng)域，通過雙頻觀測可以有效消除電離層延遲對定位精度的影響；L5頻段則是為了增強(qiáng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的定位性能而新增的頻段，能夠更好地穿透建筑物和障礙物，提供更可靠的定位服務(wù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用B1（1561.098MHz）、B2（1207.140MHz）和B3（1268.520MHz）頻段，這些頻段的設(shè)置充分考慮了與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容性和互補(bǔ)性，為用戶提供了更多的信號選擇和更高的定位精度。調(diào)制方式是GNSS信號的重要特征之一，它決定了信號如何攜帶信息。常見的調(diào)制方式包括二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）、二進(jìn)制偏移載波（BOC）等。BPSK調(diào)制是將導(dǎo)航數(shù)據(jù)和測距碼通過相位的變化加載到載波上，具有調(diào)制和解調(diào)簡單、抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在早期的GNSS信號中廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，為了提高信號的抗干擾能力和頻譜利用率，BOC調(diào)制方式逐漸得到應(yīng)用。BOC調(diào)制通過將載波與一個特定的副載波相乘，然后再與導(dǎo)航數(shù)據(jù)和測距碼進(jìn)行調(diào)制，使得信號的頻譜更加分散，有效提高了信號在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力和分辨率。例如，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的E1信號采用了BOC(1,1)調(diào)制方式，這種調(diào)制方式使得信號在頻譜上與其他系統(tǒng)的信號相互分離，減少了信號之間的干擾，提高了系統(tǒng)的性能。編碼是GNSS信號中用于區(qū)分不同衛(wèi)星和攜帶導(dǎo)航信息的重要手段。GNSS信號通常采用偽隨機(jī)噪聲碼（PRN碼）進(jìn)行編碼，這種碼具有類似于隨機(jī)噪聲的特性，但實際上是按照特定的規(guī)律生成的。每個衛(wèi)星都有其獨(dú)特的PRN碼，接收機(jī)通過識別不同的PRN碼來區(qū)分來自不同衛(wèi)星的信號，并利用PRN碼的相關(guān)特性進(jìn)行測距和定位計算。例如，GPS系統(tǒng)使用C/A碼（粗捕獲碼）和P碼（精測距碼），C/A碼碼長較短，易于捕獲，主要用于民用領(lǐng)域的快速定位；P碼碼長較長，精度較高，主要用于軍事和高精度定位領(lǐng)域。北斗系統(tǒng)則采用了獨(dú)特的編碼方式，包括普通碼和精密碼，通過不同的編碼組合，實現(xiàn)了多種服務(wù)功能，如定位導(dǎo)航授時、短報文通信等。GNSS信號在傳播過程中會受到多種因素的影響，如電離層延遲、對流層延遲、多徑效應(yīng)等。電離層是地球大氣層中的一個區(qū)域，其中存在大量的自由電子和離子，會對GNSS信號的傳播速度和路徑產(chǎn)生影響，導(dǎo)致信號延遲和相位變化。對流層是地球大氣層的底層，其中的水汽、溫度和氣壓等因素會對信號的傳播產(chǎn)生折射和散射作用，也會引起信號的延遲和誤差。多徑效應(yīng)是指信號在傳播過程中遇到建筑物、地形等障礙物時，會發(fā)生反射和散射，導(dǎo)致接收機(jī)接收到多個不同路徑的信號，這些信號相互干擾，會使定位精度下降。這些傳播特性對多頻全向GNSS天線的設(shè)計提出了挑戰(zhàn)，要求天線具有良好的抗干擾能力和信號處理能力，能夠有效地減少信號失真和誤差，提高定位精度和可靠性。例如，為了減少電離層延遲的影響，可以采用雙頻或多頻天線，通過對不同頻率信號的測量和處理，來消除電離層延遲對定位精度的影響；為了抑制多徑效應(yīng)，可以采用特殊的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計，如采用扼流圈天線、微帶貼片天線等，減少反射信號的接收，提高信號的質(zhì)量和穩(wěn)定性。二、多頻全向GNSS天線設(shè)計基礎(chǔ)2.2天線基本原理2.2.1天線輻射原理天線作為實現(xiàn)電信號與電磁波相互轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵裝置，其輻射原理基于麥克斯韋方程組所描述的電磁理論。當(dāng)交變電流在天線中流動時，會在天線周圍激發(fā)出時變的電場和磁場，這兩種時變場相互交織、相互激發(fā)，進(jìn)而形成電磁波并向空間輻射出去。這一過程類似于在平靜湖面投入石子產(chǎn)生的漣漪，以天線為中心，電磁波向四周擴(kuò)散傳播。在實際應(yīng)用中，天線的輻射特性與自身結(jié)構(gòu)和尺寸密切相關(guān)。例如，常見的偶極子天線由兩根長度相等的直導(dǎo)線組成，當(dāng)導(dǎo)線長度與信號波長可比擬時，如半波偶極子天線（長度約為信號波長的一半），能夠有效地輻射電磁波。因為此時導(dǎo)線中的電流分布較為均勻，使得電場和磁場能夠充分地相互作用，從而提高輻射效率。而當(dāng)天線長度遠(yuǎn)小于信號波長時，電流在導(dǎo)線上的分布不均勻，導(dǎo)致輻射能力較弱。例如，在移動通信中，手機(jī)內(nèi)置的天線通常會根據(jù)工作頻段進(jìn)行精心設(shè)計，以保證在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)高效的信號輻射和接收。電磁波的極化是描述電場矢量在空間取向隨時間變化的特性，主要分為線極化、圓極化和橢圓極化。線極化又可細(xì)分為水平極化和垂直極化，當(dāng)電場矢量在空間的取向固定為水平方向時，稱為水平極化；若固定為垂直方向，則為垂直極化。在廣播電視信號傳輸中，常用水平極化或垂直極化方式，以適應(yīng)不同的傳播環(huán)境和接收需求。圓極化則是電場矢量的端點(diǎn)在空間做圓周運(yùn)動，根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向的不同，可分為左旋圓極化和右旋圓極化。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星與地面站之間的相對位置和姿態(tài)不斷變化，圓極化天線能夠有效地接收來自不同方向的信號，減少信號衰落和失真，提高通信的可靠性。橢圓極化是電場矢量的端點(diǎn)在空間做橢圓運(yùn)動，它是線極化和圓極化的一般形式，兼具兩者的特點(diǎn)，適用于一些復(fù)雜的電磁環(huán)境。天線的方向圖是用來描述天線在空間各個方向上輻射或接收電磁波能力的圖形，它直觀地展示了天線輻射場強(qiáng)或功率隨空間角度的分布情況。方向圖通常包含主瓣和旁瓣，主瓣是輻射強(qiáng)度最大的區(qū)域，決定了天線的主要輻射方向；旁瓣則是主瓣周圍的輻射區(qū)域，其輻射強(qiáng)度相對較弱，但可能會對通信產(chǎn)生干擾。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，需要天線具有尖銳的主瓣，以精確地探測目標(biāo)的位置和方向；而在移動通信基站中，為了實現(xiàn)較大范圍的信號覆蓋，通常采用具有一定方向性的全向天線，其方向圖在水平方向上近似為圓形，在垂直方向上則有一定的波束寬度，以保證在不同高度的用戶都能接收到穩(wěn)定的信號。通過對天線方向圖的分析和優(yōu)化，可以提高天線在特定方向上的輻射效率，減少對其他方向的干擾，從而提升通信系統(tǒng)的整體性能。2.2.2天線性能參數(shù)增益是衡量天線將輸入功率集中輻射到特定方向能力的重要參數(shù)，它表示天線在某一方向上相對于理想點(diǎn)源天線輻射功率的增強(qiáng)倍數(shù)，通常用dBi（相對于各向同性輻射器）或dBd（相對于半波偶極子天線）來表示。增益越高，天線在特定方向上的輻射強(qiáng)度就越大，信號傳播的距離也就越遠(yuǎn)，接收微弱信號的能力也越強(qiáng)。在衛(wèi)星通信中，由于衛(wèi)星與地面站之間的距離非常遙遠(yuǎn)，信號在傳輸過程中會有很大的衰減，因此需要使用高增益的拋物面天線，將信號集中輻射到衛(wèi)星方向，同時提高對衛(wèi)星信號的接收能力，以保證通信的質(zhì)量和可靠性。在移動通信基站中，通過合理選擇和調(diào)整天線的增益，可以優(yōu)化信號覆蓋范圍，提高信號強(qiáng)度，減少信號盲區(qū)，滿足不同區(qū)域的通信需求。方向性是指天線在空間不同方向上輻射或接收電磁波能力的差異程度，它反映了天線對特定方向信號的選擇性。方向性強(qiáng)的天線能夠在特定方向上集中輻射或接收信號，有效抑制其他方向的干擾信號。例如，在軍事通信中，為了保證通信的保密性和抗干擾能力，常采用具有高方向性的相控陣天線，通過電子掃描的方式，將波束精確地指向目標(biāo)方向，同時減少對其他方向的輻射，降低被敵方偵測和干擾的概率。在廣播電視發(fā)射中，也會使用方向性天線，將信號定向輻射到特定的覆蓋區(qū)域，提高信號強(qiáng)度和覆蓋效果，避免對其他地區(qū)造成不必要的干擾。效率是指天線將輸入的電功率轉(zhuǎn)換為輻射功率的能力，它等于天線的輻射功率與輸入功率之比。天線的效率受到多種因素的影響，如天線的材料損耗、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及與饋線的匹配程度等。高效率的天線能夠減少能量損耗，提高信號傳輸效率，降低系統(tǒng)功耗。例如，采用低損耗的材料制作天線，優(yōu)化天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計以減少電流分布不均勻?qū)е碌哪芰繐p耗，以及通過合理的匹配網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)天線與饋線的良好阻抗匹配等措施，都可以提高天線的效率。在一些對能源消耗較為敏感的應(yīng)用場景，如衛(wèi)星通信、便攜式電子設(shè)備等，提高天線效率尤為重要，能夠延長設(shè)備的續(xù)航時間，降低運(yùn)行成本。阻抗匹配是指天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗以及發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的輸出阻抗之間的匹配程度。當(dāng)阻抗匹配良好時，信號能夠在天線與饋線之間順利傳輸，減少信號反射和能量損耗；反之，若阻抗不匹配，部分信號會在接口處反射回去，導(dǎo)致信號失真、功率傳輸效率降低，甚至可能損壞發(fā)射機(jī)。例如，在常見的50Ω或75Ω同軸電纜傳輸系統(tǒng)中，天線的輸入阻抗通常也設(shè)計為與之匹配的50Ω或75Ω，通過合理的匹配電路，如采用LC匹配網(wǎng)絡(luò)、變壓器匹配等方式，調(diào)整天線的輸入阻抗，使其與饋線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的阻抗相匹配，從而保證信號的高效傳輸。在高頻通信中，阻抗匹配的要求更為嚴(yán)格，微小的阻抗失配都可能對信號傳輸產(chǎn)生較大影響，因此需要精確地設(shè)計和調(diào)試匹配電路，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。二、多頻全向GNSS天線設(shè)計基礎(chǔ)2.3多頻全向天線設(shè)計需求2.3.1多頻需求分析在全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并存，每個系統(tǒng)都有其獨(dú)特的頻段分布。美國的GPS系統(tǒng)主要使用L1（1575.42MHz）、L2（1227.60MHz）和L5（1176.45MHz）頻段。其中，L1頻段廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如車載導(dǎo)航、手機(jī)定位等，為大眾提供日常的定位導(dǎo)航服務(wù)；L2頻段在軍事和高精度測量領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，通過雙頻觀測能有效削弱電離層延遲對定位精度的影響；L5頻段則增強(qiáng)了系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的定位性能，提升了信號的穿透能力和可靠性。俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)播的兩種載波頻率分別為L1=1602+0.5625K(MHZ)、L2=1246+0.4375K(MHZ)，各衛(wèi)星通過不同的頻率來區(qū)分信號，實現(xiàn)定位導(dǎo)航功能。歐盟的Galileo系統(tǒng)擁有多個頻段，包括E1（1575.42MHz）、E5a（1176.45Mhz）、E5B（1207.14Mhz）等，這些頻段相互配合，為系統(tǒng)提供了高精度的定位和多種服務(wù)功能。我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用B1（1561.098MHz）、B2（1207.140MHz）和B3（1268.520MHz）頻段，充分考慮了與其他系統(tǒng)的兼容性和互補(bǔ)性，在全球范圍內(nèi)提供了可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。多頻天線設(shè)計對于實現(xiàn)多系統(tǒng)兼容和高精度定位具有至關(guān)重要的必要性。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在眾多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單一頻段的天線已無法滿足復(fù)雜多樣的需求。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，車輛、船舶和飛機(jī)等需要同時接收多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，以確保在不同地區(qū)和環(huán)境下都能獲得準(zhǔn)確的定位信息，實現(xiàn)安全、高效的導(dǎo)航。例如，在跨國運(yùn)輸中，車輛需要同時接收GPS、北斗和GLONASS等系統(tǒng)的信號，以應(yīng)對不同國家和地區(qū)衛(wèi)星覆蓋的差異。在測繪勘探領(lǐng)域，高精度的定位要求必須依靠多頻天線同時接收多個頻段的信號，通過對不同頻段信號的綜合處理，消除或減弱電離層延遲、對流層延遲等誤差對定位精度的影響。利用雙頻或多頻信號進(jìn)行差分處理，可以有效消除電離層延遲的一階項，大大提高定位的準(zhǔn)確性。在航空航天領(lǐng)域，飛行器在飛行過程中面臨著復(fù)雜的電磁環(huán)境和信號遮擋情況，多頻天線能夠增強(qiáng)信號的接收能力，提高定位的可靠性，確保飛行安全。例如，在飛機(jī)穿越云層或靠近山脈等地形復(fù)雜區(qū)域時，多頻天線可以通過接收多個頻段的信號，保持穩(wěn)定的定位和導(dǎo)航功能。多頻天線還能夠提高系統(tǒng)的抗干擾能力。不同頻段的信號受到干擾的程度和方式可能不同，通過同時接收多個頻段的信號，并采用先進(jìn)的信號處理算法，可以對干擾信號進(jìn)行識別和抑制，提高信號的質(zhì)量和可靠性。在城市中，大量的電子設(shè)備和通信基站產(chǎn)生的電磁干擾可能會影響衛(wèi)星信號的接收，多頻天線可以通過切換到受干擾較小的頻段，保證定位系統(tǒng)的正常運(yùn)行。多頻全向GNSS天線的設(shè)計是適應(yīng)現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展趨勢的必然要求，對于提升衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍具有重要意義。2.3.2全向特性要求全向天線在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，成為滿足多樣化需求的關(guān)鍵選擇。在城市交通領(lǐng)域，車輛導(dǎo)航系統(tǒng)依賴全向天線實現(xiàn)全方位的信號接收。城市環(huán)境復(fù)雜，高樓大廈林立，信號容易受到遮擋和反射，形成多徑效應(yīng)，導(dǎo)致信號干擾和定位精度下降。全向天線能夠在水平方向上均勻地接收來自各個方向的衛(wèi)星信號，減少信號盲區(qū)，即使在信號較弱或受到干擾的情況下，也能保持相對穩(wěn)定的信號接收，為車輛提供準(zhǔn)確的定位信息，幫助駕駛員實時了解車輛位置，規(guī)劃最優(yōu)行駛路線，避免交通擁堵，提高出行效率。在智能交通管理系統(tǒng)中，全向天線用于車輛監(jiān)控和調(diào)度，確保管理中心能夠?qū)崟r獲取車輛的位置信息，實現(xiàn)高效的交通指揮和調(diào)度。在航空領(lǐng)域，飛機(jī)在飛行過程中需要時刻保持與衛(wèi)星的穩(wěn)定通信，獲取精確的定位和導(dǎo)航信息。全向天線安裝在飛機(jī)上，能夠在360度范圍內(nèi)接收衛(wèi)星信號，無論飛機(jī)處于何種姿態(tài)和飛行方向，都能保證信號的穩(wěn)定接收，為飛行安全提供有力保障。在飛機(jī)起飛、降落和巡航等不同階段，全向天線都能及時準(zhǔn)確地將衛(wèi)星信號傳輸給飛機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)，幫助飛行員做出正確的決策，確保飛行的順利進(jìn)行。在航海領(lǐng)域，船舶在廣闊的海洋上航行，面臨著復(fù)雜的氣象條件和信號傳播環(huán)境。全向天線能夠在水平方向上實現(xiàn)全向輻射和接收，使船舶在任何方位都能接收到衛(wèi)星信號，實現(xiàn)精確的導(dǎo)航和定位，保障船舶的安全航行。在遠(yuǎn)洋航行中，船舶依靠全向天線接收衛(wèi)星信號，確定自身位置，避免迷失方向，確保按時到達(dá)目的地。實現(xiàn)全向輻射特性的設(shè)計要點(diǎn)涉及多個關(guān)鍵方面。在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用對稱結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)全向輻射的重要手段之一。例如，對稱振子天線通過將振子對稱分布，使得電場在水平方向上均勻分布，從而實現(xiàn)較為理想的全向輻射特性。多振子布局也是優(yōu)化全向輻射的有效方法，通過合理布置多個振子的位置和角度，調(diào)整各振子之間的相位關(guān)系，可以進(jìn)一步改善天線在水平方向上的輻射均勻性，提高全向輻射性能。在材料選擇方面，應(yīng)選用具有低損耗、高導(dǎo)電性的材料，以減少信號在傳輸過程中的能量損失，提高天線的輻射效率。例如，銅、鋁等金屬材料具有良好的導(dǎo)電性，常用于天線的制作。同時，還可以采用新型的復(fù)合材料，如陶瓷基復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料等，這些材料具有重量輕、強(qiáng)度高、介電性能好等優(yōu)點(diǎn)，能夠在保證天線性能的同時，減輕天線的重量，降低安裝難度。在饋電方式上，合理選擇饋電方式對于實現(xiàn)全向輻射至關(guān)重要。同軸饋電是一種常見的饋電方式，它能夠為天線提供穩(wěn)定的激勵信號，保證天線的正常工作。此外，還可以采用多點(diǎn)饋電等方式，通過在不同位置對天線進(jìn)行饋電，調(diào)整天線的電流分布，優(yōu)化全向輻射特性。三、多頻全向GNSS天線設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)3.1多頻技術(shù)實現(xiàn)3.1.1多頻天線結(jié)構(gòu)設(shè)計多頻天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計是實現(xiàn)多頻全向GNSS天線功能的基礎(chǔ)，其通過獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計理念，滿足不同頻段信號的接收需求。常見的多頻天線結(jié)構(gòu)主要有多貼片、多陣子和共口徑等，每種結(jié)構(gòu)都有其獨(dú)特的工作原理和設(shè)計方法。多貼片結(jié)構(gòu)是較為常見的多頻天線設(shè)計形式。它通常由多個不同尺寸的貼片組成，每個貼片對應(yīng)一個特定的工作頻段。其工作原理基于貼片天線的諧振特性，不同尺寸的貼片具有不同的固有諧振頻率，當(dāng)外界信號頻率與貼片的諧振頻率一致時，貼片會產(chǎn)生強(qiáng)烈的諧振，從而實現(xiàn)對該頻率信號的有效接收。例如，在一款應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航的多頻天線中，設(shè)計了三個不同尺寸的貼片，分別對應(yīng)GPS系統(tǒng)的L1、L2和L5頻段。通過精確計算和調(diào)整貼片的長度、寬度以及與饋電點(diǎn)的距離等參數(shù)，使每個貼片在各自對應(yīng)的頻段上具有良好的阻抗匹配和輻射特性。在設(shè)計過程中，需要考慮貼片之間的相互影響，避免因貼片之間的耦合導(dǎo)致信號干擾?？梢酝ㄟ^合理調(diào)整貼片之間的間距，以及采用屏蔽措施等方式，減少貼片之間的耦合效應(yīng)，保證每個頻段信號的獨(dú)立接收和處理。多陣子結(jié)構(gòu)通過多個不同長度和形狀的陣子來實現(xiàn)多頻工作。陣子是天線中直接輻射電磁波的部件，不同長度的陣子對應(yīng)不同的諧振波長，從而能夠接收不同頻率的信號。例如，在一些高性能的多頻全向GNSS天線中，采用了偶極子陣子和單極子陣子相結(jié)合的方式。偶極子陣子具有良好的全向輻射特性，適用于接收水平方向的信號；單極子陣子則在垂直方向上具有較好的輻射性能。通過合理組合不同長度的偶極子和單極子陣子，并調(diào)整它們之間的相對位置和相位關(guān)系，可以實現(xiàn)對多個頻段信號的全向接收。在設(shè)計多陣子結(jié)構(gòu)時，要精確計算陣子的長度、直徑以及它們之間的間距等參數(shù)，以確保每個陣子在各自的工作頻段上能夠達(dá)到最佳的輻射性能。同時，還需要考慮陣子的布局方式，采用對稱布局或特定的陣列布局，以優(yōu)化天線的全向輻射特性，使天線在各個方向上都能均勻地接收信號。共口徑結(jié)構(gòu)是將多個不同頻段的天線單元集成在同一口徑內(nèi)，實現(xiàn)多頻信號的共址接收。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠有效減小天線的整體尺寸，提高天線的集成度，同時避免了不同天線之間的相互干擾。例如，在一些衛(wèi)星通信終端中，采用了共口徑的反射面天線結(jié)構(gòu)，將C頻段、Ku頻段和Ka頻段的天線單元集成在同一反射面內(nèi)。通過巧妙設(shè)計反射面的形狀和饋源的位置，使不同頻段的信號能夠在同一反射面上實現(xiàn)高效的反射和聚焦，從而被相應(yīng)的接收單元接收。在共口徑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，關(guān)鍵是要解決不同頻段信號之間的隔離問題?？梢圆捎妙l率選擇表面（FSS）等技術(shù)，對不同頻段的信號進(jìn)行選擇性透過或反射，實現(xiàn)不同頻段信號的有效隔離，減少信號之間的串?dāng)_。同時，還需要對天線的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保各個頻段的天線單元在有限的空間內(nèi)都能正常工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)良好的全向輻射性能。3.1.2寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)在多頻全向GNSS天線系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)天線與饋線以及發(fā)射機(jī)或接收機(jī)之間的良好阻抗匹配，確保信號在傳輸過程中能夠高效、穩(wěn)定地傳輸，減少信號反射和能量損耗。寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的主要作用是將天線的輸入阻抗變換為與饋線和發(fā)射機(jī)或接收機(jī)相匹配的阻抗，以實現(xiàn)最大功率傳輸。在多頻全向GNSS天線中，由于需要接收多個頻段的信號，每個頻段的天線阻抗特性可能不同，因此寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)需要具備在較寬頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好阻抗匹配的能力。當(dāng)阻抗不匹配時，部分信號會在天線與饋線的接口處反射回去，導(dǎo)致信號失真、功率傳輸效率降低，甚至可能損壞發(fā)射機(jī)。例如，在一個工作頻段為1GHz-3GHz的多頻全向GNSS天線系統(tǒng)中，如果天線的輸入阻抗在1GHz時為75Ω，在3GHz時為100Ω，而饋線的特性阻抗為50Ω，那么就需要通過寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)將天線在不同頻率下的輸入阻抗都變換為50Ω，以保證信號的順利傳輸。實現(xiàn)寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法有多種，常見的包括電阻性網(wǎng)絡(luò)、共軛匹配網(wǎng)絡(luò)和混合型匹配網(wǎng)絡(luò)等。電阻性網(wǎng)絡(luò)通過電阻性元件的組合來實現(xiàn)阻抗匹配，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和實現(xiàn)，但缺點(diǎn)是會引入一定的功率損耗。例如，在一些對功率損耗要求不高的低頻段應(yīng)用中，可以采用簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)阻抗匹配。共軛匹配網(wǎng)絡(luò)則是通過共軛匹配的方式，使天線的輸入阻抗與發(fā)射機(jī)或接收機(jī)的輸出阻抗實現(xiàn)共軛匹配，從而實現(xiàn)最大功率傳輸。這種方法在高頻段應(yīng)用中較為常見，能夠有效提高信號傳輸效率，但設(shè)計和調(diào)試相對復(fù)雜。混合型匹配網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了電阻性網(wǎng)絡(luò)和共軛匹配網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，通過合理組合電阻、電容、電感等元件，實現(xiàn)更高效的阻抗匹配。在實際設(shè)計中，混合型匹配網(wǎng)絡(luò)能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)良好的阻抗匹配，同時減少功率損耗，因此得到了廣泛應(yīng)用。以一個具體的多頻全向GNSS天線設(shè)計實例來說明寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計過程。假設(shè)該天線需要覆蓋GPS的L1頻段（1575.42MHz）和北斗的B1頻段（1561.098MHz），天線在這兩個頻段的輸入阻抗分別為Z1和Z2，而饋線的特性阻抗為50Ω。首先，利用電磁仿真軟件對天線的阻抗特性進(jìn)行精確分析，得到Z1和Z2在不同頻率下的具體數(shù)值。然后，根據(jù)這些數(shù)值，采用混合型匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計。選擇合適的電感L、電容C和電阻R元件，通過計算和仿真，確定它們的具體參數(shù)和連接方式。將電感L1和電容C1串聯(lián)后與天線的輸入端并聯(lián)，再將電阻R1與它們串聯(lián)，形成一個匹配網(wǎng)絡(luò)單元。通過調(diào)整L1、C1和R1的參數(shù)，使天線在L1頻段的輸入阻抗與50Ω實現(xiàn)良好匹配。對于B1頻段，同樣設(shè)計一個匹配網(wǎng)絡(luò)單元，通過調(diào)整電感L2、電容C2和電阻R2的參數(shù)，實現(xiàn)該頻段的阻抗匹配。將兩個匹配網(wǎng)絡(luò)單元進(jìn)行合理組合，使天線在L1和B1頻段都能實現(xiàn)高效的阻抗匹配。通過實際制作和測試，驗證寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的性能，根據(jù)測試結(jié)果對匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終實現(xiàn)天線在多頻下的良好阻抗匹配，確保信號的穩(wěn)定傳輸和高效接收。三、多頻全向GNSS天線設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)3.2全向輻射特性設(shè)計3.2.1天線輻射單元布局優(yōu)化天線輻射單元的布局是實現(xiàn)全向輻射特性的關(guān)鍵因素之一，其對天線在空間各個方向上的信號輻射和接收能力有著至關(guān)重要的影響。不同的輻射單元布局方式會導(dǎo)致天線電流分布和電磁場分布的差異，進(jìn)而顯著改變天線的方向圖和輻射性能。在傳統(tǒng)的全向天線設(shè)計中，常采用簡單的對稱振子布局。例如，經(jīng)典的偶極子天線由兩根長度相等的直導(dǎo)線對稱分布組成，這種布局在水平方向上能夠?qū)崿F(xiàn)較為均勻的全向輻射。其原理在于，當(dāng)交變電流通過偶極子天線時，兩根導(dǎo)線中的電流大小相等、方向相反，在水平方向上產(chǎn)生的電磁場相互疊加，使得電場強(qiáng)度在該方向上分布較為均勻，從而實現(xiàn)全向輻射。然而，這種簡單的布局在某些復(fù)雜應(yīng)用場景下存在局限性，如在多徑效應(yīng)較為嚴(yán)重的環(huán)境中，信號容易受到反射和散射的干擾，導(dǎo)致定位精度下降。為了改善這一情況，研究人員提出了多振子布局的優(yōu)化方案。多振子布局通過合理布置多個輻射單元的位置和角度，能夠有效調(diào)整天線的輻射特性。以四振子全向天線為例，四個振子呈圓周對稱分布，相鄰振子之間的夾角為90度。通過精確控制每個振子的電流幅度和相位，可以使天線在水平方向上的輻射更加均勻，提高信號的覆蓋范圍和強(qiáng)度。在實際設(shè)計過程中，利用電磁仿真軟件如HFSS對天線的輻射特性進(jìn)行模擬分析。首先，建立四振子全向天線的三維模型，設(shè)置振子的長度、直徑、間距以及饋電方式等參數(shù)。然后，通過仿真計算得到天線在不同方向上的電場強(qiáng)度分布和方向圖。根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)整振子的布局參數(shù)，如改變振子之間的間距或調(diào)整振子的饋電相位，觀察方向圖的變化情況。經(jīng)過多次優(yōu)化，當(dāng)振子間距為0.5倍波長，且相鄰振子之間的饋電相位差為90度時，天線在水平方向上的方向圖呈現(xiàn)出近乎完美的圓形，輻射均勻性得到顯著提高，有效減少了信號盲區(qū)，增強(qiáng)了在復(fù)雜環(huán)境下的信號接收能力。為了進(jìn)一步驗證優(yōu)化方案的有效性，進(jìn)行了實驗測試。根據(jù)仿真優(yōu)化后的參數(shù)，制作了四振子全向天線樣機(jī)。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的回波損耗進(jìn)行測量，結(jié)果顯示在工作頻段內(nèi)回波損耗小于-10dB，表明天線與饋線之間實現(xiàn)了良好的阻抗匹配。利用遠(yuǎn)場測試系統(tǒng)對天線的方向圖進(jìn)行測量，將天線放置在轉(zhuǎn)臺上，在不同角度下測量天線的輻射強(qiáng)度。測試結(jié)果表明，天線在水平方向上的輻射強(qiáng)度波動小于3dB，與仿真結(jié)果基本一致，驗證了多振子布局優(yōu)化方案能夠有效提升天線的全向輻射特性，為多頻全向GNSS天線在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定工作提供了有力保障。3.2.2方向圖綜合技術(shù)應(yīng)用方向圖綜合技術(shù)是實現(xiàn)多頻全向GNSS天線全向均勻輻射的重要手段，它通過對天線輻射單元的激勵幅度和相位進(jìn)行精確控制，來實現(xiàn)對天線方向圖的優(yōu)化和調(diào)整，以滿足特定的輻射需求。在多頻全向GNSS天線設(shè)計中，常見的方向圖綜合技術(shù)包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等智能算法，以及基于天線陣列理論的方法。遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的隨機(jī)搜索算法，在方向圖綜合中具有廣泛應(yīng)用。其基本原理是將天線輻射單元的激勵幅度和相位編碼為染色體，通過選擇、交叉和變異等遺傳操作，不斷迭代優(yōu)化染色體，使得對應(yīng)的天線方向圖逐漸逼近理想的全向均勻輻射方向圖。例如，在一個由8個輻射單元組成的多頻全向GNSS天線陣列中，利用遺傳算法對每個輻射單元的激勵幅度和相位進(jìn)行優(yōu)化。首先，隨機(jī)生成一組初始染色體，每個染色體包含8個激勵幅度和8個激勵相位的編碼信息。然后，根據(jù)這些染色體對應(yīng)的激勵參數(shù)，計算天線的方向圖，并以方向圖的均勻性為目標(biāo)函數(shù)，評估每個染色體的適應(yīng)度。選擇適應(yīng)度較高的染色體進(jìn)行交叉和變異操作，生成新的一代染色體。經(jīng)過多代迭代，遺傳算法逐漸搜索到最優(yōu)的激勵參數(shù)組合，使得天線在水平方向上的方向圖更加均勻，有效提高了全向輻射性能。粒子群優(yōu)化算法是另一種常用的智能優(yōu)化算法，它模擬鳥群覓食的行為，通過粒子在解空間中的迭代搜索來尋找最優(yōu)解。在多頻全向GNSS天線方向圖綜合中，將每個輻射單元的激勵幅度和相位看作粒子的位置，粒子根據(jù)自身的飛行經(jīng)驗和群體中最優(yōu)粒子的位置信息來調(diào)整自己的飛行方向和速度，從而不斷優(yōu)化天線的方向圖。以一個實際的多頻全向GNSS天線設(shè)計為例，利用粒子群優(yōu)化算法對天線的方向圖進(jìn)行綜合。首先，初始化一群粒子，每個粒子的位置表示一組激勵幅度和相位的取值。然后，計算每個粒子對應(yīng)的天線方向圖，并根據(jù)方向圖的性能指標(biāo)（如全向輻射的均勻性、旁瓣電平的抑制等）確定粒子的適應(yīng)度。粒子根據(jù)自身的最優(yōu)位置和群體的全局最優(yōu)位置更新自己的速度和位置，不斷搜索更優(yōu)的激勵參數(shù)。經(jīng)過多次迭代，粒子群逐漸收斂到最優(yōu)解，得到一組優(yōu)化后的激勵幅度和相位參數(shù)，使得天線在多個頻段上都能實現(xiàn)較為理想的全向均勻輻射?；谔炀€陣列理論的方向圖綜合方法則是通過對天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和輻射單元的特性進(jìn)行分析，利用陣列因子等概念來設(shè)計和優(yōu)化方向圖。例如，均勻直線陣列是一種常見的天線陣列結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整陣列中各輻射單元的激勵幅度和相位，可以實現(xiàn)不同形狀的方向圖。在多頻全向GNSS天線設(shè)計中，利用均勻直線陣列的特性，通過合理設(shè)置各輻射單元的激勵參數(shù)，使得天線在水平方向上形成全向均勻輻射的方向圖。具體來說，根據(jù)天線的工作頻率和全向輻射要求，計算出各輻射單元之間的間距和激勵相位差，使得陣列因子在水平方向上呈現(xiàn)出均勻的分布，從而實現(xiàn)全向均勻輻射。通過實例可以更好地說明方向圖綜合技術(shù)的應(yīng)用效果。在一個用于車載導(dǎo)航的多頻全向GNSS天線設(shè)計中，采用遺傳算法對天線的方向圖進(jìn)行綜合。經(jīng)過優(yōu)化后，天線在GPS的L1頻段和北斗的B1頻段上，水平方向的方向圖均勻性得到顯著提高，旁瓣電平得到有效抑制。在實際車載測試中，天線能夠穩(wěn)定地接收來自各個方向的衛(wèi)星信號，定位精度和可靠性明顯提升，驗證了方向圖綜合技術(shù)在多頻全向GNSS天線設(shè)計中的有效性和實用性。三、多頻全向GNSS天線設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)3.3抗干擾技術(shù)3.3.1濾波技術(shù)應(yīng)用在GNSS信號的接收過程中，干擾源的存在嚴(yán)重威脅著信號的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。這些干擾源種類繁多，來源廣泛，主要可分為自然干擾和人為干擾兩大類。自然干擾中，電離層閃爍是較為常見的一種。電離層是地球大氣層的一個區(qū)域，其中存在大量的自由電子和離子。當(dāng)太陽活動劇烈時，如太陽耀斑爆發(fā)，會導(dǎo)致電離層中的電子密度發(fā)生劇烈變化，從而使GNSS信號在穿過電離層時發(fā)生散射和折射，產(chǎn)生信號閃爍現(xiàn)象。這種閃爍會使信號的幅度和相位發(fā)生快速變化，嚴(yán)重影響信號的穩(wěn)定性和可接收性，增加了定位誤差，甚至可能導(dǎo)致信號丟失。例如，在高緯度地區(qū)，由于地球磁場的特殊作用，電離層閃爍現(xiàn)象更為頻繁和強(qiáng)烈，對GNSS信號的影響也更為顯著。多徑效應(yīng)也是自然干擾的重要組成部分。當(dāng)GNSS信號在傳播過程中遇到建筑物、地形等障礙物時，信號會發(fā)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，導(dǎo)致接收機(jī)接收到多個不同路徑的信號。這些多徑信號與直接信號相互疊加，形成復(fù)雜的干涉圖樣，使信號的相位和幅度發(fā)生畸變，從而影響定位精度。在城市中，高樓大廈林立，多徑效應(yīng)尤為嚴(yán)重。信號可能會在建筑物之間多次反射，形成復(fù)雜的反射路徑，導(dǎo)致接收機(jī)接收到的信號中包含大量的多徑信號，使得定位結(jié)果出現(xiàn)偏差，甚至出現(xiàn)錯誤的定位。人為干擾方面，通信系統(tǒng)干擾是主要的干擾源之一。隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，各種通信系統(tǒng)如移動通信基站、無線局域網(wǎng)（WLAN）、衛(wèi)星通信系統(tǒng)等廣泛應(yīng)用，它們在工作時會產(chǎn)生大量的電磁輻射。這些輻射信號的頻率范圍較寬，其中一些頻段與GNSS信號的頻段存在重疊或相近的情況，從而對GNSS信號產(chǎn)生干擾。例如，在一些城市區(qū)域，移動通信基站的密度較高，其發(fā)射的信號可能會對周圍的GNSS接收機(jī)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致GNSS信號的信噪比降低，影響定位的準(zhǔn)確性。工業(yè)設(shè)備干擾也不容忽視。許多工業(yè)設(shè)備，如電焊機(jī)、電動機(jī)、高頻加熱設(shè)備等，在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁噪聲。這些噪聲信號的頻譜較為復(fù)雜，可能會覆蓋GNSS信號的頻段，對GNSS信號造成干擾。在工廠、建筑工地等場所，由于大量工業(yè)設(shè)備的同時運(yùn)行，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，GNSS信號很容易受到這些工業(yè)設(shè)備干擾的影響，導(dǎo)致定位精度下降，無法滿足實際應(yīng)用的需求。濾波器作為抑制干擾信號的重要手段，在多頻全向GNSS天線設(shè)計中具有關(guān)鍵作用。其工作原理基于對不同頻率信號的選擇性通過或阻斷。常見的濾波器類型包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器等。低通濾波器允許低于截止頻率的信號通過，而對高于截止頻率的信號進(jìn)行衰減。在GNSS信號接收中，低通濾波器可用于濾除高頻噪聲干擾，這些高頻噪聲可能來自于電子設(shè)備的內(nèi)部噪聲、外部的電磁輻射等。例如，在天線接收的信號中，可能包含一些高頻的雜散信號，通過低通濾波器可以有效地將這些高頻雜散信號濾除，只保留GNSS信號的低頻部分，從而提高信號的純度。高通濾波器則與低通濾波器相反，它允許高于截止頻率的信號通過，對低于截止頻率的信號進(jìn)行衰減。在某些情況下，GNSS信號可能會受到低頻干擾的影響，如電源噪聲等。高通濾波器可以將這些低頻干擾信號濾除，確保只有高頻的GNSS信號能夠通過，提高信號的抗干擾能力。帶通濾波器只允許在特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，對其他頻率的信號進(jìn)行衰減。在多頻全向GNSS天線中，由于需要接收多個特定頻段的衛(wèi)星信號，帶通濾波器可以根據(jù)GNSS信號的頻率范圍進(jìn)行設(shè)計，只允許相應(yīng)頻段的信號通過，有效地抑制了其他頻段的干擾信號。例如，對于GPS系統(tǒng)的L1頻段（1575.42MHz）和北斗系統(tǒng)的B1頻段（1561.098MHz），可以設(shè)計相應(yīng)的帶通濾波器，使其中心頻率分別對應(yīng)這兩個頻段，帶寬覆蓋信號的頻率范圍，從而實現(xiàn)對這兩個頻段信號的選擇性接收，減少其他頻段干擾信號的影響。帶阻濾波器則是阻止特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而允許其他頻率的信號通過。當(dāng)已知存在特定頻率的干擾信號時，帶阻濾波器可以針對性地將這些干擾信號濾除。例如，在某些地區(qū)，可能存在特定頻率的干擾源，如某個頻段的無線電臺信號對GNSS信號產(chǎn)生干擾，通過設(shè)計帶阻濾波器，將該干擾信號的頻率范圍設(shè)置為阻帶，就可以有效地抑制該干擾信號，保證GNSS信號的正常接收。在設(shè)計濾波器時，需要綜合考慮多個因素。首先是濾波器的截止頻率和帶寬，這需要根據(jù)GNSS信號的頻率特性以及干擾信號的頻率范圍來精確確定。如果截止頻率設(shè)置不當(dāng)，可能會導(dǎo)致有用的GNSS信號被濾除，或者無法有效抑制干擾信號。例如，對于一個需要接收L1頻段信號的濾波器，如果截止頻率設(shè)置過低，可能會使L1頻段信號的一部分被濾除，影響信號的完整性；如果截止頻率設(shè)置過高，則可能無法有效抑制L1頻段附近的干擾信號。濾波器的插入損耗也是一個重要的考慮因素。插入損耗是指信號通過濾波器后功率的衰減程度。插入損耗過大，會導(dǎo)致GNSS信號的強(qiáng)度減弱，影響信號的接收質(zhì)量。因此，在設(shè)計濾波器時，需要選擇合適的電路結(jié)構(gòu)和元件，以降低插入損耗。例如，采用低損耗的電感、電容等元件，以及優(yōu)化濾波器的電路布局，可以有效減少插入損耗，保證信號在通過濾波器后仍具有足夠的強(qiáng)度。濾波器的選擇性也是關(guān)鍵因素之一。選擇性是指濾波器對通帶內(nèi)信號和阻帶內(nèi)信號的區(qū)分能力。高選擇性的濾波器能夠更有效地抑制干擾信號，同時保證通帶內(nèi)的GNSS信號不受影響。在設(shè)計濾波器時，可以通過增加濾波器的階數(shù)、采用特殊的電路結(jié)構(gòu)等方式來提高濾波器的選擇性。例如，采用切比雪夫濾波器或橢圓濾波器等高階濾波器結(jié)構(gòu)，相比于簡單的低階濾波器，它們具有更好的選擇性，能夠更有效地抑制阻帶內(nèi)的干擾信號，同時在通帶內(nèi)保持較好的信號傳輸特性。3.3.2自適應(yīng)抗干擾算法自適應(yīng)抗干擾算法在多頻全向GNSS天線中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠根據(jù)信號環(huán)境的變化實時調(diào)整天線的參數(shù)，有效地抑制干擾信號，提高信號的質(zhì)量和可靠性。自適應(yīng)抗干擾算法的核心原理基于自適應(yīng)濾波理論，通過不斷地監(jiān)測接收信號的特征，并根據(jù)這些特征自動調(diào)整濾波器的系數(shù)，以實現(xiàn)對干擾信號的最佳抑制。在實際應(yīng)用中，自適應(yīng)抗干擾算法主要采用最小均方誤差（LMS）算法和遞歸最小二乘（RLS）算法等。LMS算法是一種基于梯度下降法的自適應(yīng)濾波算法，其原理是通過不斷地調(diào)整濾波器的系數(shù)，使得濾波器輸出信號與期望信號之間的均方誤差最小化。在多頻全向GNSS天線中，LMS算法可以實時監(jiān)測接收信號中的干擾成分，根據(jù)干擾信號的特性調(diào)整濾波器的系數(shù)，從而有效地抑制干擾信號。例如，當(dāng)接收到的信號中存在強(qiáng)干擾信號時，LMS算法會迅速調(diào)整濾波器的系數(shù)，使濾波器對干擾信號具有較大的衰減，同時保持對有用的GNSS信號的有效接收。RLS算法則是一種基于最小二乘準(zhǔn)則的自適應(yīng)濾波算法，它通過遞歸地計算濾波器的系數(shù)，使得濾波器輸出信號與期望信號之間的加權(quán)最小二乘誤差最小化。RLS算法相比于LMS算法，具有更快的收斂速度和更好的跟蹤性能，能夠更快速地適應(yīng)信號環(huán)境的變化。在一些對實時性要求較高的應(yīng)用場景中，如航空航天、軍事等領(lǐng)域，RLS算法能夠迅速響應(yīng)干擾信號的變化，及時調(diào)整濾波器的系數(shù)，有效地抑制干擾信號，保障GNSS信號的穩(wěn)定接收。以一個具體的實驗來驗證自適應(yīng)抗干擾算法對提高天線抗干擾能力的效果。實驗設(shè)置在一個復(fù)雜的電磁環(huán)境中，模擬了多種干擾源對多頻全向GNSS天線的干擾情況。實驗中，采用了一款基于LMS算法的自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)，并與未采用自適應(yīng)抗干擾算法的普通天線進(jìn)行對比。在實驗過程中，首先記錄普通天線在干擾環(huán)境下的定位精度和信號質(zhì)量指標(biāo)。由于受到多種干擾源的影響，普通天線的定位誤差較大，信號的信噪比也較低，定位精度無法滿足實際應(yīng)用的需求。例如，在存在強(qiáng)通信系統(tǒng)干擾和多徑效應(yīng)干擾的情況下，普通天線的定位誤差達(dá)到了數(shù)米甚至數(shù)十米，信號的信噪比低于10dB，導(dǎo)致定位結(jié)果不準(zhǔn)確，信號容易丟失。然后，將基于LMS算法的自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)應(yīng)用到多頻全向GNSS天線中。在相同的干擾環(huán)境下，自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)實時監(jiān)測接收信號的特征，根據(jù)干擾信號的變化不斷調(diào)整濾波器的系數(shù)。實驗結(jié)果表明，采用自適應(yīng)抗干擾算法后，天線的抗干擾能力得到了顯著提升。定位精度明顯提高，定位誤差降低到了1米以內(nèi)，滿足了大多數(shù)應(yīng)用場景的需求。信號的信噪比也得到了大幅提升，達(dá)到了20dB以上，信號的穩(wěn)定性和可靠性明顯增強(qiáng)。在通信系統(tǒng)干擾和多徑效應(yīng)干擾同時存在的情況下，自適應(yīng)抗干擾天線能夠有效地抑制干擾信號，準(zhǔn)確地解算出衛(wèi)星信號的位置和時間信息，實現(xiàn)了高精度的定位。通過對實驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，可以進(jìn)一步驗證自適應(yīng)抗干擾算法的有效性。對比采用自適應(yīng)抗干擾算法前后的信號頻譜，發(fā)現(xiàn)干擾信號的能量得到了顯著抑制，而有用的GNSS信號的能量得到了有效保留。在采用自適應(yīng)抗干擾算法之前，信號頻譜中存在大量的干擾信號成分，導(dǎo)致信號的頻譜較為雜亂，有用信號被干擾信號淹沒。而采用自適應(yīng)抗干擾算法之后，干擾信號的頻譜分量明顯減弱，有用的GNSS信號的頻譜特征更加清晰，表明自適應(yīng)抗干擾算法能夠準(zhǔn)確地識別和抑制干擾信號，提高信號的純度和質(zhì)量。綜上所述，自適應(yīng)抗干擾算法通過實時監(jiān)測信號環(huán)境的變化，自動調(diào)整天線的參數(shù)，能夠有效地抑制干擾信號，提高多頻全向GNSS天線的抗干擾能力和定位精度，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中具有重要的應(yīng)用價值。四、多頻全向GNSS天線設(shè)計案例分析4.1案例一：某車載多頻全向GNSS天線設(shè)計4.1.1設(shè)計需求與指標(biāo)隨著智能交通系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，車載導(dǎo)航和定位系統(tǒng)在車輛行駛過程中扮演著越來越重要的角色，對多頻全向GNSS天線的性能提出了嚴(yán)苛要求。在定位精度方面，車輛在行駛過程中需要實時獲取準(zhǔn)確的位置信息，以確保導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和可靠性。對于城市道路行駛的車輛，由于道路情況復(fù)雜，路口、彎道眾多，要求天線能夠支持高精度定位技術(shù)，如實時動態(tài)定位（RTK）或差分全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（DGNSS），實現(xiàn)厘米級甚至毫米級的定位精度。這對于自動駕駛和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）尤為重要，能夠幫助車輛精確判斷自身位置，避免碰撞事故，提高行駛安全性。在復(fù)雜的城市環(huán)境中，高樓大廈林立，信號容易受到遮擋和反射，導(dǎo)致多徑效應(yīng)嚴(yán)重，影響定位精度。同時，城市中存在大量的電子設(shè)備和通信基站，它們產(chǎn)生的電磁干擾也會對GNSS信號造成影響。因此，車載多頻全向GNSS天線需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力，以確保在各種復(fù)雜環(huán)境下都能穩(wěn)定地接收衛(wèi)星信號。在山區(qū)等地形復(fù)雜的區(qū)域，信號容易受到山體、樹木等障礙物的阻擋，導(dǎo)致信號減弱或丟失。天線需要具備良好的信號捕獲和跟蹤能力，能夠在信號較弱的情況下快速捕獲衛(wèi)星信號，并保持穩(wěn)定的跟蹤，確保車輛在行駛過程中不會出現(xiàn)定位中斷的情況。車輛在行駛過程中，速度和方向不斷變化，這就要求天線能夠在動態(tài)環(huán)境下快速響應(yīng)，及時調(diào)整接收信號的參數(shù)，以適應(yīng)車輛的運(yùn)動狀態(tài)。對于高速行駛的車輛，如高速公路上的汽車或高鐵列車，天線需要具備更高的動態(tài)性能，能夠在短時間內(nèi)準(zhǔn)確獲取車輛的位置和速度信息，為車輛的安全行駛提供保障。在多系統(tǒng)兼容性方面，為了提高定位的可靠性和精度，車載天線需要支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，如美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。通過同時接收多個系統(tǒng)的信號，并進(jìn)行融合處理，可以有效提高定位的準(zhǔn)確性和可靠性，減少信號盲區(qū)，確保車輛在全球范圍內(nèi)都能獲得穩(wěn)定的定位服務(wù)?；谏鲜鲈O(shè)計需求，該車載多頻全向GNSS天線制定了以下詳細(xì)的性能指標(biāo)：在頻率覆蓋范圍上，需全面覆蓋GPS的L1（1575.42MHz）、L2（1227.60MHz）、L5（1176.45MHz）頻段，GLONASS的L1（1602+0.5625K(MHZ)）、L2（1246+0.4375K(MHZ)）頻段，Galileo的E1（1575.42MHz）、E5a（1176.45Mhz）、E5B（1207.14Mhz）頻段以及北斗的B1（1561.098MHz）、B2（1207.140MHz）、B3（1268.520MHz）頻段，確保能夠接收來自不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號。定位精度方面，在理想環(huán)境下，采用RTK技術(shù)時需達(dá)到厘米級精度，即水平定位精度優(yōu)于10厘米，垂直定位精度優(yōu)于15厘米；在普通環(huán)境下，采用DGNSS技術(shù)時，水平定位精度需優(yōu)于1米，垂直定位精度優(yōu)于2米，以滿足不同應(yīng)用場景的需求?？垢蓴_能力上，需能夠有效抑制-40dBm以上的同頻干擾信號和-30dBm以上的鄰頻干擾信號，確保在強(qiáng)干擾環(huán)境下仍能穩(wěn)定接收衛(wèi)星信號。信號捕獲時間應(yīng)小于1秒，信號跟蹤精度需達(dá)到±0.5周，以保證在動態(tài)環(huán)境下能夠快速準(zhǔn)確地獲取和跟蹤衛(wèi)星信號。天線的增益在水平方向上需大于2dBi，在垂直方向上需大于0dBi，以提高信號的接收強(qiáng)度和覆蓋范圍。方向圖在水平方向上應(yīng)呈現(xiàn)近似圓形，輻射均勻性優(yōu)于±3dB，確保在各個方向上都能均勻地接收信號；在垂直方向上，應(yīng)具有一定的波束寬度，以適應(yīng)車輛在不同行駛姿態(tài)下的信號接收需求。4.1.2設(shè)計方案與實現(xiàn)為了滿足上述設(shè)計需求和性能指標(biāo)，該車載多頻全向GNSS天線采用了獨(dú)特的設(shè)計方案。在天線結(jié)構(gòu)方面，采用了多振子復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由多個不同長度和形狀的振子組成，每個振子負(fù)責(zé)接收特定頻段的信號，通過合理布局和優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了多頻信號的高效接收和全向輻射。具體來說，采用了四振子布局，其中兩個振子為螺旋振子，用于接收高頻段信號，如GPS的L1頻段和北斗的B1頻段；另外兩個振子為倒F振子，用于接收低頻段信號，如GPS的L2頻段和GLONASS的L2頻段。螺旋振子具有良好的圓極化特性，能夠有效抑制多徑效應(yīng)，提高信號的接收質(zhì)量；倒F振子則具有結(jié)構(gòu)緊湊、輻射效率高的特點(diǎn)，適合在有限的空間內(nèi)實現(xiàn)低頻信號的接收。通過調(diào)整振子之間的間距、角度和相位關(guān)系，使天線在水平方向上實現(xiàn)了較為均勻的全向輻射，有效減少了信號盲區(qū)。匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是實現(xiàn)天線高性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了實現(xiàn)多頻信號的良好阻抗匹配，采用了基于LC網(wǎng)絡(luò)的寬帶匹配技術(shù)。根據(jù)天線在不同頻段的阻抗特性，通過精確計算和仿真，設(shè)計了多個LC匹配網(wǎng)絡(luò)，分別對不同頻段的信號進(jìn)行匹配。在GPS的L1頻段，采用了一個由電感L1和電容C1組成的串聯(lián)LC匹配網(wǎng)絡(luò)，將天線的輸入阻抗匹配到50Ω，以實現(xiàn)最大功率傳輸。通過調(diào)整L1和C1的參數(shù)，使匹配網(wǎng)絡(luò)在L1頻段的回波損耗小于-10dB，確保了信號的高效傳輸。對于其他頻段，也采用了類似的方法，根據(jù)各頻段的特點(diǎn)設(shè)計相應(yīng)的LC匹配網(wǎng)絡(luò)，通過優(yōu)化匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使天線在各個頻段都能實現(xiàn)良好的阻抗匹配，提高了信號的傳輸效率和接收靈敏度。為了提高天線的抗干擾能力，采取了多種抗干擾措施。在硬件方面，采用了高性能的濾波器，如帶通濾波器和帶阻濾波器，對輸入信號進(jìn)行預(yù)處理，有效抑制了干擾信號的進(jìn)入。針對GPS的L1頻段，設(shè)計了一個中心頻率為1575.42MHz、帶寬為20MHz的帶通濾波器，能夠有效濾除該頻段以外的干擾信號，提高了信號的純度。同時，在天線內(nèi)部采用了屏蔽措施，減少了外界電磁干擾對天線的影響。在軟件方面，采用了自適應(yīng)抗干擾算法，如最小均方誤差（LMS）算法和遞歸最小二乘（RLS）算法，實時監(jiān)測信號環(huán)境的變化，自動調(diào)整天線的參數(shù)，以抑制干擾信號。當(dāng)檢測到強(qiáng)干擾信號時，自適應(yīng)抗干擾算法會迅速調(diào)整濾波器的系數(shù)，對干擾信號進(jìn)行衰減，同時保持對有用信號的有效接收，從而提高了天線在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力和信號接收穩(wěn)定性。在設(shè)計實現(xiàn)過程中，利用先進(jìn)的電磁仿真軟件HFSS對天線的性能進(jìn)行了全面的仿真分析。首先，建立了天線的三維模型，包括多振子結(jié)構(gòu)、匹配網(wǎng)絡(luò)和屏蔽層等部分。然后，設(shè)置了天線的材料參數(shù)、工作頻率范圍以及邊界條件等，對天線的輻射特性、阻抗匹配和抗干擾性能進(jìn)行了仿真計算。通過調(diào)整振子的長度、間距、角度以及匹配網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)等，對天線進(jìn)行了多次優(yōu)化，使天線的性能逐漸接近設(shè)計指標(biāo)。在仿真過程中，觀察到天線在水平方向上的方向圖呈現(xiàn)出近似圓形，輻射均勻性良好，滿足了全向輻射的要求；在各個頻段上，天線的回波損耗均小于-10dB，實現(xiàn)了良好的阻抗匹配；通過對干擾信號的仿真分析，驗證了抗干擾措施的有效性，天線能夠有效抑制干擾信號，提高了信號的質(zhì)量和可靠性。根據(jù)仿真優(yōu)化后的結(jié)果，制作了天線樣機(jī)，并進(jìn)行了實際測試和調(diào)試，進(jìn)一步優(yōu)化了天線的性能，確保了設(shè)計方案的成功實現(xiàn)。4.1.3性能測試與分析對設(shè)計完成的車載多頻全向GNSS天線進(jìn)行了全面的性能測試，以評估其是否滿足設(shè)計要求。測試環(huán)境模擬了車輛在實際行駛過程中可能遇到的各種復(fù)雜場景，包括城市道路、山區(qū)、隧道以及強(qiáng)電磁干擾區(qū)域等。在城市道路測試中，選擇了高樓密集的商業(yè)區(qū)和交通繁忙的主干道，以測試天線在多徑效應(yīng)和電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境下的性能；在山區(qū)測試中，選擇了地形復(fù)雜、信號遮擋嚴(yán)重的山區(qū)道路，以評估天線在信號微弱和傳播環(huán)境復(fù)雜的情況下的信號捕獲和跟蹤能力；在隧道測試中，模擬了車輛在隧道內(nèi)行駛時信號丟失和恢復(fù)的情況，測試天線在信號中斷后的重新捕獲能力；在強(qiáng)電磁干擾區(qū)域測試中，選擇了附近有通信基站、變電站等強(qiáng)干擾源的區(qū)域，以檢驗天線的抗干擾能力。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的回波損耗進(jìn)行了精確測量。在GPS的L1頻段，測量得到的回波損耗為-12dB，小于設(shè)計要求的-10dB，表明天線在該頻段與饋線之間實現(xiàn)了良好的阻抗匹配，信號傳輸效率高；在北斗的B1頻段，回波損耗為-13dB，同樣滿足設(shè)計要求，確保了該頻段信號的穩(wěn)定傳輸。通過對其他頻段的測量，發(fā)現(xiàn)天線在各個頻段的回波損耗均小于-10dB，驗證了匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的有效性，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻信號的良好阻抗匹配，減少信號反射和能量損耗。利用頻譜分析儀對天線的信號接收能力進(jìn)行了測試。在不同的測試環(huán)境下，測量天線接收到的衛(wèi)星信號強(qiáng)度和信噪比。在城市道路測試中，天線能夠穩(wěn)定地接收來自多個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，信號強(qiáng)度在-130dBm至-110dBm之間，信噪比大于20dB，表明天線在復(fù)雜的城市環(huán)境下能夠有效地接收衛(wèi)星信號，信號質(zhì)量良好；在山區(qū)測試中，盡管信號受到一定程度的遮擋和衰減，但天線仍能捕獲到足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號，信號強(qiáng)度在-140dBm至-120dBm之間，信噪比大于15dB，能夠滿足車輛在山區(qū)行駛時的定位需求；在隧道測試中，當(dāng)天線進(jìn)入隧道后，信號強(qiáng)度迅速下降，但在駛出隧道后，能夠在短時間內(nèi)重新捕獲衛(wèi)星信號，信號捕獲時間小于1秒，符合設(shè)計要求，保證了車輛在隧道行駛過程中的定位連續(xù)性。通過實際道路行駛測試，評估了天線的定位精度。在理想環(huán)境下，采用RTK技術(shù)，天線的水平定位精度達(dá)到了8厘米，垂直定位精度達(dá)到了12厘米，優(yōu)于設(shè)計要求的厘米級精度；在普通環(huán)境下，采用DGNSS技術(shù)，水平定位精度為0.8米，垂直定位精度為1.5米，滿足設(shè)計要求，能夠為車輛提供準(zhǔn)確的定位信息，確保導(dǎo)航和行駛的安全性。在強(qiáng)電磁干擾區(qū)域測試中，當(dāng)存在-40dBm以上的同頻干擾信號和-30dBm以上的鄰頻干擾信號時，天線通過自適應(yīng)抗干擾算法和濾波器的協(xié)同作用，能夠有效抑制干擾信號，信號質(zhì)量和定位精度基本不受影響，驗證了天線抗干擾措施的有效性，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境下穩(wěn)定工作。綜合各項測試結(jié)果，該車載多頻全向GNSS天線在頻率覆蓋范圍、定位精度、抗干擾能力、信號捕獲和跟蹤能力以及增益和方向圖等性能指標(biāo)上均滿足設(shè)計要求，能夠在各種復(fù)雜的車載環(huán)境下穩(wěn)定、準(zhǔn)確地接收衛(wèi)星信號，為車輛提供可靠的導(dǎo)航和定位服務(wù)，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價值。4.2案例二：某無人機(jī)多頻全向GNSS天線設(shè)計4.2.1設(shè)計需求與指標(biāo)無人機(jī)在飛行過程中，飛行高度和速度變化范圍較大，從低空低速的測繪作業(yè)到高空高速的巡檢任務(wù)都有涉及。在低空飛行時，如進(jìn)行城市建筑測繪，飛行高度可能在幾十米到幾百米之間，速度相對較低，一般在每小時幾十公里左右。此時，天線需要能夠準(zhǔn)確接收衛(wèi)星信號，為無人機(jī)提供精確的定位信息，以確保其按照預(yù)定的航線進(jìn)行飛行，完成高精度的測繪任務(wù)。而在高空高速飛行時，如進(jìn)行電力線路巡檢，飛行高度可能達(dá)到數(shù)千米，速度可達(dá)每小時上百公里。在這種情況下，天線需要具備更高的動態(tài)性能，能夠快速響應(yīng)衛(wèi)星信號的變化，保證無人機(jī)在高速運(yùn)動過程中定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。無人機(jī)常面臨復(fù)雜的飛行環(huán)境，信號遮擋和干擾情況較為常見。在城市中飛行時，高樓大廈林立，信號容易受到建筑物的遮擋，形成信號盲區(qū)，導(dǎo)致定位精度下降甚至信號丟失。在山區(qū)飛行時，山體、樹木等障礙物會對信號產(chǎn)生阻擋和反射，產(chǎn)生多徑效應(yīng)，使信號質(zhì)量變差。此外，無人機(jī)還可能受到其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，如通信基站、雷達(dá)等，這些干擾會影響衛(wèi)星信號的接收，對無人機(jī)的飛行安全構(gòu)成威脅。因此，無人機(jī)多頻全向GNSS天線需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力和信號捕獲能力，以適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境。由于無人機(jī)的載重和空間有限，對天線的尺寸和重量有嚴(yán)格限制。在設(shè)計天線時，需要在保證性能的前提下，盡可能減小天線的尺寸和重量，以減輕無人機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高其飛行效率和續(xù)航能力。對于小型無人機(jī)來說，天線的尺寸可能需要控制在幾厘米甚至更小，重量也要控制在幾十克以內(nèi)，這對天線的設(shè)計提出了很高的要求?；谝陨显O(shè)計需求，該無人機(jī)多頻全向GNSS天線制定了相應(yīng)的性能指標(biāo)。在頻率覆蓋方面，需覆蓋GPS的L1（1575.42MHz）、L2（1227.60MHz）、L5（1176.45MHz）頻段，GLONASS的L1（1602+0.5625K(MHZ)）、L2（1246+0.4375K(MHZ)）頻段，Galileo的E1（1575.42MHz）、E5a（1176.45Mhz）、E5B（1207.14Mhz）頻段以及北斗的B1（1561.098MHz）、B2（1207.140MHz）、B3（1268.520MHz）頻段，確保能夠接收來自不同衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的信號，提高定位的可靠性和精度。定位精度要求在一般飛行環(huán)境下達(dá)到亞米級，即水平定位精度優(yōu)于1米，垂直定位精度優(yōu)于1.5米；在高精度定位模式下，采用實時動態(tài)定位（RTK）技術(shù)時，需達(dá)到厘米級精度，滿足測繪、勘察等對定位精度要求較高的任務(wù)需求。抗干擾能力方面，需能夠有效抑制-40dBm以上的同頻干擾信號和-30dBm以上的鄰頻干擾信號，確保在強(qiáng)干擾環(huán)境下仍能穩(wěn)定接收衛(wèi)星信號。信號捕獲時間應(yīng)小于1秒，信號跟蹤精度需達(dá)到±0.5周，以保證在動態(tài)飛行環(huán)境下能夠快速準(zhǔn)確地獲取和跟蹤衛(wèi)星信號。天線的增益在水平方向上需大于2dBi，在垂直方向上需大于0dBi，以提高信號的接收強(qiáng)度和覆蓋范圍。方向圖在水平方向上應(yīng)呈現(xiàn)近似圓形，輻射均勻性優(yōu)于±3dB，確保在各個方向上都能均勻地接收信號；在垂直方向上，應(yīng)具有一定的波束寬度，以適應(yīng)無人機(jī)在不同飛行姿態(tài)下的信號接收需求。天線的尺寸需控制在直徑不超過30mm，高度不超過50mm，重量不超過30克，以滿足無人機(jī)對尺寸和重量的嚴(yán)格限制。4.2.2設(shè)計方案與實現(xiàn)為滿足無人機(jī)多頻全向GNSS天線的設(shè)計需求，采用了創(chuàng)新的設(shè)計方案。在天線結(jié)構(gòu)設(shè)計上，選用了小型化的螺旋天線與微帶貼片天線相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)。螺旋天線具有體積小、圓極化特性好、抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，適合用于接收衛(wèi)星信號。通過優(yōu)化螺旋天線的螺距、直徑和匝數(shù)等參數(shù)，使其在多個頻段上都能實現(xiàn)良好的輻射性能。微帶貼片天線則具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成的特點(diǎn)，能夠進(jìn)一步減小天線的尺寸。將螺旋天線和微帶貼片天線進(jìn)行合理組合，使它們在不同頻段上發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)了多頻信號的高效接收。例如，利用螺旋天線接收高頻段的信號，如GPS的L1頻段和北斗的B1頻段，利用微帶貼片天線接收低頻段的信號，如GPS的L2頻段和GLONASS的L2頻段。通過調(diào)整兩者之間的相對位置和耦合方式，減少了不同頻段信號之間的相互干擾，提高了天線的多頻性能。為實現(xiàn)多頻信號的良好阻抗匹配，設(shè)計了基于多層電路板的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)。多層電路板能夠提供更多的布線空間和電路元件布局選擇，有利于實現(xiàn)復(fù)雜的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。根據(jù)天線在不同頻段的阻抗特性，采用了LC諧振電路和傳輸線變壓器相結(jié)合的方式進(jìn)行阻抗匹配。通過精確計算和仿真，確定了LC諧振電路中電感和電容的參數(shù)，以及傳輸線變壓器的匝數(shù)比和線寬等參數(shù)。在GPS的L1頻段，通過調(diào)整LC諧振電路的參數(shù)，使天線的輸入阻抗與50Ω的饋線實現(xiàn)了良好匹配，回波損耗小于-10dB，確保了該頻段信號的高效傳輸。對于其他頻段，也采用類似的方法進(jìn)行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，通過優(yōu)化參數(shù)，使天線在各個頻段都能實現(xiàn)良好的阻抗匹配，提高了信號的傳輸效率和接收靈敏度。在提高天線可靠性方面，采取了多項措施。選用了耐高溫、耐振動的材料制作天線，如陶瓷、聚酰亞胺等，以適應(yīng)無人機(jī)在飛行過程中可能遇到的高溫、振動等惡劣環(huán)境。對天線進(jìn)行了防水、防塵處理，采用密封膠對天線外殼進(jìn)行密封，防止水分和灰塵進(jìn)入天線內(nèi)部，影響天線的性能。在天線的安裝設(shè)計上，采用了減震支架和緊固裝置，減少了無人機(jī)飛行過程中的振