用于北斗导航的双频高相位中心稳定度球面微带天线研究

Antenna phase center is the reference point when using satellite navigation system receiver to navigate and measure, and the stability of antenna phase center affects the measurement precision directly. In this proposal, spherical-cap conformal microstrip antennas are introduced to improve the stability of the antenna phase center. Due to deficiency of the choice of dielectric materials and preparation technology for rotating curved surfaces antenna substrates, application of conformal microstrip antennas is limited. The aim of this proposal is to establish the phase center modes for microstrip antennas, look for methods to eliminate the antenna phase-center variation, and conclude the theroy for high phase-center stability antenna design.BaAl2Si2O8 based ceramic powers are prepared by aqueous gelcasting-assisted solid-state method. With the help of research on zero-shrinkage mechnism for BaAl2Si2O8 based ceramics in the solid-state reaction, the objective of zero-shrinkage forming in the sintering process is realized for the products prepared by gelcasting,and then spherical-cap conformal microstrip antenna substrates were fabricated. Combining the precise silk-screen printing technology with spray soating method, electrodes on the complex-shaped rotating curved surface are achieved accurately. Finally, a dualband spherical-cap conformal microstrip antenna with high stability is designed and manufactured to meet the demand of Beidou 2nd Generation Satellite Navigation System. It can be used in the spherical-cap conformal microstrip antenna array to develop the anti-interference capability of next-generation Satellite Navigation System.

天线的相位中心是卫星导航接收机测量时的参考点，其稳定度直接影响着卫星导航定位测量的精度。本项目拟采用球面共形结构提高微带天线的相位中心稳定度，但介质材料的选择以及曲率表面基板制备技术的不完善，限制了其应用。通过本项目的研究，拟建立微带天线相位中心的模型，寻求消除天线相位中心偏差的方法，总结出高相位中心稳定度微带天线的设计理论；使用水基凝胶注模工艺辅助固相反应法制备BaAl2Si2O8基陶瓷粉体，希望通过对BaAl2Si2O8基陶瓷固相烧结"零收缩"机理的研究，实现凝胶注模工件在烧结过程中的零收缩成型，制备球面共形天线基板；结合精密丝网印刷技术和电极喷涂技术，实现复杂形状曲率表面上电极的精确定位涂覆。最终制备出具有高相位中心稳定度的双频球面共形圆极化微带天线，满足北斗二代卫星导航系统的应用，同时可作为球面共形阵列单元天线，提高下一代卫星导航系统的抗干扰能力。

在卫星导航系统中，观测值是以接收机天线的相位中心为基准的，因此接收机天线的相位中心稳定性直接影响到系统的定位精度。本项目针对卫星导航系统用高相位中心稳定度的微带天线和介质谐振器天线的基板材料、设计方法和制备工艺进行了研究。.项目首先针对BaAl2Si2O8 (SAS)陶瓷材料的烧结收缩率、相组成、微观结构和微波介电性能之间的关系进行了深入研究。研究表明，去离子水有利于SAS陶瓷的致密化过程，促进六方相向单斜相转变，致密度可达95%；使用乙醇作为分散剂，可以获得多孔的、具有烧结零收缩特性的六方相SAS陶瓷材料。使用去离子水和乙醇作为分散剂得到的SAS陶瓷的微波介电性能分别为εr=6.36、Qf=44800GHz、τf=−46.9ppm/℃和εr=4.64、Qf=35580GHz、τf =−43.5ppm/℃。项目还研究了SAS含量对(1-x)(0.75ZnAl2O4-0.25TiO2)-xSAS复合体系陶瓷材料的收缩率、相成分、微观组织结构和微波介电性能的影响规律。通过控制体系中不同相的含量，可使体系介电常数在3.56～12.20范围内系列化，同时可获得烧结零收缩的微波介质陶瓷材料，实现复杂形状天线基板按模具尺寸成型。.项目总结了天线相位中心的通用标定方法和天线相位中心稳定度的表征方法，给出了高相位中心稳定度圆极化微带天线的设计规则。在此基础上，设计了一个四馈点圆极化微带天线，仿真与测试其在工作频率1.575GHz处的相位中心稳定度分别为0.36mm和1mm。为了进一步改善天线相位中心稳定性，设计了一个结构更加对称的球状共形圆极化微带天线，仿真得到其相位中心稳定度为0.20mm，相对于平面微带天线提高了44.4%。为了满足卫星导航系统的双频工作需求，利用叠层结构设计了一个双频圆极化微带天线，仿真得到其在GPS L1和L2频率的相位中心稳定度分别为0.64mm和0.97mm。项目进行过程中发现介质谐振器天线在天线相位中心稳定性方面优于微带天线，进而分别进行了半球形、圆柱等单频、双频高相位中心稳定度卫星导航介质谐振器天线的研究。设计了一个圆柱形介质谐振器天线和一个半球形介质谐振器天线，仿真得到其相位中心稳定度分别为0.23mm和0.12mm，相位中心稳定性优于前期设计的微带天线。最后还设计了两款高相位中心稳定度缝隙耦合馈电双频圆极化介质谐振器天线。