3.6　半球波束天线地板与多径效应抑制

3.6.1　半球波束与地板

固定辐射波束的GNSS终端接收天线要求形成覆盖上半空间的半球波束方向图。对于基本辐射单元，无论是电流源还是磁流源，为了消除下半空间的辐射，往往在基本辐射单元下面需要加一块地板，使其形成半球波束。地板对方向图的影响不可小视，除了形成半球波束，地板也可以帮助减少天线周围，特别是下半空间在天线附近的反射引起的多径效应。但是在地板上形成的电流和磁流，在有限尺度的地板边缘的不连续处会产生边缘绕射场和散射场，这些成分混入到原初辐射场中，扰乱了预期的天线辐射场，直接影响了天线的抗多径效应能力，恶化天线相位中心的稳定性。这些边缘产生的场是漏波和表面波与空间波作用的结果，要获得高精度测量型GNSS接收天线，必须解决地板对辐射的影响问题。高精度天线必须具备高相位中心稳定性、高抗多径效应能力和足够的低仰角增益。低仰角增益偏低势必影响整机的搜星数量和质量，进而影响后端模块对卫星信号的解算。

3.6.2　抑制多径效应的天线地板设计

为了减少金属地板对GNSS终端天线辐射的影响，人们在改进金属地板结构方面做了大量的工作，使天线性能取得了明显的改进。下面简要地从物理概念上阐述如何处理地板以抑制天线的多径效应。

1.2D/3D扼流圈地板

喇叭天线为了获得圆对称、低交叉极化和较宽的频带，由基模喇叭、双模喇叭进而发展成波纹结构喇叭，如图3-10所示。图3-10（a）为大张角波纹喇叭，由于周向槽作用使 H _φ 和 E _φ 在喇叭壁上趋于零，因此TE和TM模有相同的边界，其传输模是这二模的线性叠加，其基模为HE ₁₁ 模，二分量TE模和TM模有相同的截止频率和相同的相速度，因此沿波导任何地方二模都维持恰当的相位关系，与频率无关，所以该波纹喇叭提供了较宽的频带，更优的圆对称性、低交叉极化辐射和不变的相位中心特性。

当喇叭半张角 时，变成2D-波纹盘（Choke Horn），如图3-10（b）所示。在中心主辐射单元外周同轴上加装槽深均为 λ /4的波纹盘，小口径加波纹可以减少交叉极化电平，使方向图更加圆对称。当波纹槽深为 λ /4～ λ /2时，口面呈现容性阻抗，电场和磁场有相同的边界条件，对于模比 γ =1的平衡混合模，口径场有：

式中， a 为波纹盘半径； 是Bessel函数 的第一个零点，在其边界上场等于0，防止了边缘绕射。当中心主辐射单元为微带贴片天线时，波纹盘结构口面将形成高阻抗，阻止了表面波的传播，避免了边缘绕射，减少了副瓣和后瓣电平，方向图圆对称、低交叉极化。

下面再介绍两种波纹盘结构。带波纹盘结构的天线地板如图3-11所示，图3-11（a）为同轴波纹地板；图3-11（b）为两个中心短路的圆环波纹地板。同样起到了抑制表面波和边缘绕射场的作用。

目前，在高精度测量型GNSS接收机天线中应用最多的是3D扼流圈天线。NovAtel-750X天线如图3-12所示，它是在2D基础上增加了一个仰角 α ，形成变槽深的3D扼流圈天线。扼流圈地板的引入基本不改变主辐射单元相位中心特性，采用不同深度的环圈，使工作频带增加。扼流圈提高了方向图的滚降和前后比，将低仰角和负仰角的信号折转至前向，使前向增益略有增加，同时通过加导电圆环等措施使低仰角的增益电平有所提高，可以降低最小截止角，对卫星的捕获和跟踪有益，可增加接收信号的稳定性。NovAtel-750X 3D扼流圈结构是目前应用最多、最普遍的一种抑制表面波的方法，其直径为355～406 mm，质量约为5～10 kg。大尺度的地板可以提高天线的滚降，从天顶到水平面，其滚降可达到10～12 dB，比一般微带天线高出3～5 dB，天线主瓣方向性系数比一般不带扼流圈的微带贴片天线可提高1～2 dBi。

2．滚圆边地板

滚圆边地板如图3-13所示，有文献报道，采用滚圆边地板结构可以大大改善半球辐射方向图，将地板边缘制作成向后半空间的滚圆边以抑制边缘绕射对前向辐射的影响。大多情况下的边缘绕射和散射主要由表面波贡献，表面波在介质中传播时只传输不辐射，但在地板边缘的散射直接贡献于远场。由于表面波辐射使天线性能变坏，如果地板边缘采用后向滚圆边，当滚圆边的圆半径可以和波长相比拟时，到达边缘的波形成爬行波，爬行波顺滚圆边爬行到后向，再向后方绕射出去，这可基本消除地板边缘对前向辐射产生的电平起伏，也可因爬行波的能量散射降低其后瓣电平。

3．电阻型衰减地板

利用超薄型雷达吸波隐身材料，可以降低目标RCS材料的微波衰减特性，将它铺垫在金属地板上，使其成为衰减地板。美国天宝公司推出的Trimble-Zephyr Geodetic 2天线（见图3-14）是一款采用雷达隐身材料的GNSS测量型天线，该天线采用渐变阻抗片来衰减表面波，其直径为340 mm，高度为80 mm。这种低高度天线，采用在地板上衰减表面波及其杂波的方案替代了3D扼流圈，它不仅减小了天线的体积和质量，而且还提供平面辐射口径，使天线的相位中心更加趋近于空间一点，并且有非常光滑的辐射方向图，很低的后向辐射。