一種小型高精度四臂螺旋天線的設計

廣州中海達衛星導航技術股份有限公司　張華福　李曉鵬　黃建忠　張照良

一種小型高精度四臂螺旋天線的設計

廣州中海達衛星導航技術股份有限公司張華福李曉鵬黃建忠張照良

本文通過設計研究以空氣作為介質，四軸對稱，耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂的四臂螺旋天線，經過計算仿真，結果表明，這種耦合方式在一定程度上擴展了天線的阻抗帶寬，使得天線獲得了很寬的頻帶，在L1頻段具有150MHz的帶寬，使得天線能實現GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛星的接收，同時，這種天線有較寬的軸比帶寬，實現了天線良好的圓極化性能和較強的抑制多路徑效應的能力，并且有較高的增益。這種天線體積小，重量輕，易安裝，為高精度無人機行業提供重要的研究價值。

四臂螺旋；寬頻帶；高精度；無人機；軸比；天線

1.前言

全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全時空、全天候、高精度、連續實時地提供導航、定位和授時的特點，因此在經濟發展、科學研究、災害防控以及軍事領域起著越來越重要的作用［1， 2， 3］。近年來，高精度無人機和手持高精度移動測量設備發展越來越快，而這些設備需要帶寬寬，精度高，搜星能力強的天線來實現高精度測量的功能。而傳統的貼片微帶天線由于體積大，質量重，使用安裝復雜，很難滿足移動高精度測量設備的需求。然而，螺旋天線具有易加工，性能好的優點，越來越受到關注，kiglgas最先分析了螺旋天線的性能［4］。但是傳統的螺旋天線是由銅線或者其他金屬繞制而成的。加工工藝復雜，帶寬很窄，天線的性能不能保證，而且一致性差［5， 6， 7］。基于上述考慮，本文提出一款新型空氣作為介質，四軸對稱，耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂的四臂螺旋天線的設計，能滿足GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛星的接收，并且具有較寬的增益帶寬和軸比帶寬，有較大的抗多路徑能力，為高精度無人機行業和手持高精度移動測量行業的發展具有重大意義。

2.天線設計

天線采用四軸對稱四臂螺旋結構設計，以空氣作為介質。將螺旋臂印制在柔軟的基板上，設計特定的圓柱支架，將軟性基板纏繞在支架上，形成四臂螺旋天線。每根臂的長度為四分之一波長的整數倍，能產生接收GPS：L1、GLONASS：L1、北斗：B1、GALILEO：L1信號，每個螺旋臂的饋電電流相等，相位依次相差90°，分別為0°，90°，180°，270°。天線螺旋臂的大小可有下式確定：

其中：L為螺旋天線的高度，L0為螺旋臂的長度，D為螺旋天線的纏繞直徑，N為為螺旋圈的圈數。天線的整體結構如圖1所示，天線的展開圖如圖2所示。

圖1　螺旋天線整體結構圖

圖2　螺旋天線展開圖

天線的輻射單元主要由兩部分組成，主輻射臂和耦合輻射臂。主輻射臂是天線的輻射主體，通過設計其長度為四分之一波長的整數倍，使得天線在GPS的頻率范圍內產生諧振，能接收到GPS衛星信號。然而由于其帶來的感性電抗大使得天線的帶寬變得很窄，無法滿足三星系統GPS、GLONASS、北斗衛星的接收。通過增加耦合輻射臂，可以使得天線的阻抗帶寬得到展寬，增大天線的接收頻率范圍。通過計算所得，天線的纏繞直徑D為20mm，高度L為35mm。

3.仿真結果

通過理論計算和HFSS高頻電磁軟件仿真，在每個輻射體的底部作為天線的饋電點，均勻對稱的四饋點饋電，使天線具有穩定的相位中心，相位中心偏差減小，使得天線具有較高的定位精度。因為每個饋電點的相位依次為0°，90°，180°，270°，為了使得形成右旋圓極化波，螺旋天線的纏繞方向與最大方向成左手關系，如圖1所示。在實際電路中，通過在電路板上加載移相電路，可使得每個饋點的相位合成同相位信號。

圖3　天線S11參數

圖4　天線駐波比參數

圖3是天線在L1頻段內的S11參數，圖4是天線在L1頻段內的駐波比參數，從圖3中可以看出，天線在1.53GHz到1.68GHz頻率范圍內S11參數小于10，從圖4中可以看出，天線從1.53GHz到1.68GHz頻率范圍內駐波比參數小于2，說明了四臂螺旋結構拓展了阻抗帶寬，使天線能實現GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星系統衛星的接收。

圖5　天線增益性能

圖6　天線軸比性能

圖5是天線在L1頻段內的增益，從圖中可以看出，天線在L1頻段內，其頂點位置的增益為6.3dBi，低仰角±90度位置的增益為-3.2 dBi。本天線的耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂，能使得天線的電磁能量得到良好輻射，提升了天線的總體增益，并且也能保證了天線在低仰角有較高的增益，滿足了高精度無人機接收的性能要求。

圖6是天線在L1頻段時的軸比性能，圖中表明，天線從仰角-62o到65o之間軸比低于3dB，說明天線在此角度內軸比性能很好，較寬的軸比帶寬，很好地實現了圓極化性能。四臂螺旋單元通過與最大輻射方向成左手關系，改善了天線的波束寬度，使得天線輻射單元有較寬的軸比帶寬，說明天線有很強的抑制多路徑效應的能力。

4.結論

本天線采用四軸對稱四臂螺旋結構設計，以空氣作為介質。將螺旋臂印制在柔軟的基板上，設計特定的圓柱支架，將軟性基板纏繞在支架上，形成四臂螺旋天線。L1頻段具有150MHz的帶寬，使得天線能實現GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛星的接收。通過耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂，能使得天線的電磁能量得到良好輻射，提升了天線的總體增益，很好地實現了圓極化性能，同時也有較寬的軸比帶寬，能使得天線在遮擋、多路徑滿足了高精度無人機接收的性能要求。

［1］付世強，房少軍，王鐘葆.多模衛星定位導航系統的寬帶天線［J］.哈爾濱工業大學學報，2008，40（11）：1811-1814.

［2］趙麗娟，邵曉亮，鄒永慶，吳先良，楊代明.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設計［J］.現代電子技術，2009，32（24）：91-93.

［3］高陽，董樹榮，王德苗.GPS天線技術及其發展［J］.無線通信技術，2008（4）：34-39.

［4］Robert A.Sainati，Join J.Groppelli，Ralph C.Olesen，Andrew J.Stanland.A Band-Switched Resonant Quadrifilar Helix［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982（9），AP-30（5）：1010-1013.

［5］Waqar A.Shah，Sultan Shoaib， Qamarul Islam， Muhammad Amin. Wide Band Side Fed Bifilar Helix Antenna Caged In Passive Quadrifilar Helix Structure［C］.Radio and Wireless Symposium，2010，IEEE，2010：597-600.

［6］Chen Chen，Fang Yang，Chenjiang Guo，Jiadong Xu. Analysis and Design of a satellite-borne wide-beam quardifilar helix antenna［C］. Microwav Coference，2008.APMC 2008.Asia-Pacific，2008（10）：1-4.

［7］M.Hosseini，M.Hakkak，P.Rezaei.Design of a Dual-Band Quadrifilar Helix Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2005（4）：39-42.