廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 林 飛 李曉鵬

廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司 李成鋼

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 蔡惠萍 楊靈峰

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于高精度GNSS的寬帶高性能雙頻四臂螺旋天線(xiàn)。所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)將空心圓柱體介質(zhì)支架應(yīng)用在四軸中心對(duì)稱(chēng)的螺旋結(jié)構(gòu)中，并采用激光雕刻工藝極大降低了天線(xiàn)制作成本和提高天線(xiàn)工藝精度。本文所設(shè)計(jì)天線(xiàn)采用新型的“卐”字短路結(jié)構(gòu)，加載在1/2波長(zhǎng)主輻射臂的頂端，有效提升了天線(xiàn)低頻段輻射增益和增益帶寬。測(cè)試結(jié)果表明，該天線(xiàn)在1-1.8GHz內(nèi)，駐波比小于2。在接收頻段（低頻段：1.176-1.268GHz和高頻段：1.525-1.602GHz）內(nèi)輻射增益均大于1dBi，高、低頻段內(nèi)3dB軸比波束帶寬分別為190°和195°，表明該天線(xiàn)具有工作帶寬寬、圓極化特性好，低仰角搜星能力強(qiáng)。因此，本文所設(shè)計(jì)天線(xiàn)可廣泛應(yīng)用于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端。

隨著地面終端系統(tǒng)的高速發(fā)展，尤其是在測(cè)繪、導(dǎo)航、定位、授時(shí)等高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)中，對(duì)天線(xiàn)的泛用性提出了更高的要求。如今，單獨(dú)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已無(wú)法滿(mǎn)足各類(lèi)終端日益增長(zhǎng)的需求。因此，能夠兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的、寬頻帶的高性能便攜式天線(xiàn)是目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

柱狀體結(jié)構(gòu)的多臂螺旋天線(xiàn)具有較寬的半球覆蓋波束寬度、優(yōu)良的廣角圓極化特性等特點(diǎn)，在各類(lèi)便攜式終端設(shè)備中得到應(yīng)用廣泛。然而普通的印制螺旋天線(xiàn)在中心諧振頻點(diǎn)的帶寬僅為5%-8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。因此，國(guó)外學(xué)者陸續(xù)提出了四臂螺旋天線(xiàn)的一些寬帶化技術(shù)，例如Louvigne提出通過(guò)逐漸變寬金屬臂來(lái)展寬阻抗帶寬、Letestu設(shè)計(jì)一種折疊型印制螺旋天線(xiàn)并用一條接地的寄生臂與主臂相連來(lái)展寬帶寬等。此外，為了實(shí)現(xiàn)多臂螺旋天線(xiàn)多頻應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還提出了曲折線(xiàn)技術(shù)、電容加載、使用多條互相平行螺旋臂加載，以及寄生臂加載等多種新技術(shù)。

本文根據(jù)多頻多模全頻段衛(wèi)星導(dǎo)航天線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款工作于GNSS全頻段的緊湊型的高精度雙頻柱狀四臂螺旋天線(xiàn)。

1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

Kilgus諧振式螺旋天線(xiàn)由四根長(zhǎng)度為1/4λ的M倍(M為整數(shù))的螺旋臂繞制而成。每個(gè)螺旋臂饋電端電流幅度相等，相位依次相差。當(dāng)M為奇數(shù)倍時(shí)，旋臂終端短路，當(dāng)M為偶數(shù)倍時(shí)，旋臂終端斷路。

結(jié)構(gòu)參數(shù)可由下式確定：

式中：Lax為螺旋的軸向高度(mm) ，Lele為螺旋臂的長(zhǎng)度(mm) ，r0為螺旋半徑(mm) ，N為螺旋的圈數(shù)。A=1(M為奇數(shù)時(shí))，A=2(M為偶數(shù)時(shí))。根據(jù)計(jì)算，天線(xiàn)螺旋臂長(zhǎng)度約為92mm。

圖1 天線(xiàn)仿真模型

圖2 天線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線(xiàn)采用四軸中心對(duì)稱(chēng)螺旋環(huán)繞結(jié)構(gòu)，四個(gè)螺旋線(xiàn)分長(zhǎng)短一組等間距地纏繞鐳雕在中空柱狀介質(zhì)基材上。介質(zhì)基材采用介電常數(shù)為2.65和損耗正切角為0.0004的輕型塑料材料PPO材質(zhì)加工而成，中空?qǐng)A柱體厚度為1.5mm，直徑為29mm，高度為60mm。天線(xiàn)輻射單元由主輻射臂和耦合輻射臂構(gòu)成，耦合輻射臂與主輻射臂在底部由接地枝節(jié)相連，構(gòu)成PIFA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。主輻射臂為低頻輻射單元，耦合輻射臂為高頻輻射單元。為了提高低頻天線(xiàn)的輻射增益以及增益帶寬，主輻射臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并在頂部使用創(chuàng)新型的“卐”字的結(jié)構(gòu)連接。天線(xiàn)頂部的“卐”字結(jié)構(gòu)屬于一種折疊結(jié)構(gòu)，這種折疊結(jié)構(gòu)能夠增加輻射臂之間的電容耦合效應(yīng)，抵消螺旋天線(xiàn)的感性阻抗分量，使天線(xiàn)獲得更好的匹配，從而將天線(xiàn)的帶寬展寬。

為了減少天線(xiàn)的相位中心偏差，使天線(xiàn)具有較高的定位精度，該天線(xiàn)采用均勻軸對(duì)稱(chēng)的四饋點(diǎn)饋電形式，由在FR4印刷電路板表面上的一分四饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)端口的幅值相等，相鄰相位差值均為90°，如圖2所示。移相合路饋電網(wǎng)絡(luò)的加載使天線(xiàn)獲得了良好的圓極化特性，以及較寬的阻抗帶寬。

圖3 天線(xiàn)實(shí)物

圖4 天線(xiàn)實(shí)測(cè)駐波比隨頻率變化

2 仿真與實(shí)測(cè)分析

通過(guò)理論計(jì)算得出天線(xiàn)結(jié)構(gòu)數(shù)值，我們?cè)趯?zhuān)用電磁仿真軟件中對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，并根據(jù)仿真模型優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果，對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了實(shí)物加工，天線(xiàn)實(shí)物如圖3所示。通過(guò)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對(duì)天線(xiàn)進(jìn)行了駐波比測(cè)試，得到天線(xiàn)的駐波比隨頻率變化曲線(xiàn)，如圖4所示。在測(cè)試頻段1-1.8GHz內(nèi)，天線(xiàn)的駐波比均小于2，并且在低頻段（1.176GHz-1.268GHz）以及高頻段（1.525GHz-1.602GHz）內(nèi)天線(xiàn)駐波比低于1.6，說(shuō)明天線(xiàn)的阻抗匹配良好，能量能夠較大效率地傳輸?shù)教炀€(xiàn)中。

圖5所示為天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨頻率變化曲線(xiàn)。從圖可知，天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨頻率變化曲線(xiàn)基本吻合，但由于實(shí)物樣品的制作過(guò)程中存在偏差，以及實(shí)際饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相位誤差，所以仿真與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)不完全重合。在整個(gè)頻段（1.15-1.35GHz和155-1.65GHz），天線(xiàn)的仿真軸比均低于0.5dB，天線(xiàn)的實(shí)測(cè)軸比均低于1.3dB。說(shuō)明天線(xiàn)的圓極化性性能優(yōu)秀。

圖5 天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)軸比隨頻率變化曲線(xiàn)

將所設(shè)計(jì)的天線(xiàn)放置在微波暗室測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)本文所加工天線(xiàn)進(jìn)行了增益測(cè)試，圖6所示為天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)的增益隨頻率變化的曲線(xiàn)。從圖中可知，天線(xiàn)實(shí)測(cè)與仿真的增益曲線(xiàn)基本吻合，但由于實(shí)物制作過(guò)程中的加工誤差、天線(xiàn)實(shí)測(cè)損耗以及調(diào)試過(guò)程中的手工調(diào)試誤差等原因，實(shí)測(cè)增益曲線(xiàn)與仿真曲線(xiàn)存在一點(diǎn)偏差。天線(xiàn)仿真的高低頻最大增益分別為3.08dBi和4.56dBi，增益大于1dBi增益頻帶為1.166GHz-1.270GHz和1.519GHz-1.605GHz。天線(xiàn)實(shí)測(cè)的高頻段內(nèi)最大輻射增益為2.8dBi，實(shí)測(cè)的低頻段內(nèi)最大輻射增益為4.09dBi，且在低頻頻段和高頻頻段內(nèi)各工作頻點(diǎn)輻射增益均大于1dBi。根據(jù)北斗全球系統(tǒng)民用基礎(chǔ)類(lèi)多模多頻高精度天線(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)要求和測(cè)試方法，柱狀螺旋天線(xiàn)頻帶內(nèi)最大增益要求≥2dBi（theta = 0°），在各接收頻點(diǎn)范圍內(nèi)≥-2dBi。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)天線(xiàn)的增益帶寬和輻射增益均能夠較好地符合設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

圖6 天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)增益隨頻率變化（theta=0°，phi=0°）

圖7所示為天線(xiàn)在1.227GHz和1.575GHz仿真與實(shí)測(cè)的增益方向圖。從圖可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但由于實(shí)物饋電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)饋電端口幅度和相位的不完全符合理想情況，實(shí)測(cè)方向圖曲線(xiàn)沒(méi)有仿真的曲線(xiàn)平滑。低頻（1.227GHz）仿真與實(shí)測(cè)的天頂角增益分別為4.59dBi和3.98dBi，高頻（1.575GHz）仿真與實(shí)測(cè)的天頂角增益分別為1.64dBi和2.55dBi。在主輻射方向，右旋圓極化增益均比交叉極化增益高出20dBi以上，說(shuō)明各個(gè)端口的幅值、相位受影響程度在誤差范圍之內(nèi)，天線(xiàn)的圓極化特性良好。

圖7 天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)2D增益方向圖（XOZ面）

圖8 天線(xiàn)仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨角度變化曲線(xiàn)（XOZ面）

圖8所示為天線(xiàn)在1.227GHz和1.575GHz仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨角度變化曲線(xiàn)，高頻仿真與實(shí)測(cè)的3dB軸比波束帶寬分別為112°（-56°～56°）和190°（-76°～114°），低頻仿真與實(shí)測(cè)的3dB軸比波束帶寬分別為129°（-64°～65°）和195°（-100°～95°）。由此得出，天線(xiàn)實(shí)物經(jīng)過(guò)調(diào)試后，具有較優(yōu)的廣角軸比帶寬和圓極化特性。

結(jié)論：本文設(shè)計(jì)了一款高精度寬頻帶雙頻四臂螺旋GNSS測(cè)量型天線(xiàn)。天線(xiàn)采用空心圓柱體介質(zhì)支架作為天線(xiàn)介質(zhì)加載和支撐結(jié)構(gòu)體，使用短路式四軸對(duì)稱(chēng)螺旋結(jié)構(gòu)，主輻射臂與耦合輻射臂底部通過(guò)接地微帶線(xiàn)相連接，構(gòu)成PIFA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。為了提高低頻天線(xiàn)的增益以及增益帶寬，主輻射臂長(zhǎng)設(shè)計(jì)為1/2λ，并在頂部加載新型“卐”字結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，該螺旋天線(xiàn)增益高、圓極化特性好，低仰角搜星能力強(qiáng)，在接收頻段（1176MHz-1268MH、1525MHz-1602MHz）內(nèi)增益均大于1dBi，高低頻段3dB軸比波束帶寬分別為190°和195°。因此，本文所設(shè)計(jì)天線(xiàn)能夠滿(mǎn)足四大導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的接收應(yīng)用需求，并能夠較好地被廣泛應(yīng)用于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定為終端產(chǎn)品中。

致謝：本文由2018年番禺區(qū)創(chuàng)新領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目——高精度室內(nèi)外定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用（2018-R01-7）支持。