一種多模印刷四臂螺旋導航天線的設計

蔣 凱，周錦文，鄭會利

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

近年來，全球定位系統(GPS)、俄羅斯全球導航衛星系統(GLONESS)、伽利略定位系統(GALILEO)、中國北斗衛星導航系統(BDS)四大衛星導航系統不斷發展成熟，但因為空間信道多徑信號干擾、射頻器件的電磁干擾等外部影響，單個導航系統的使用不可避免地會存在一定誤差。為了提高導航精度，容錯性高的多系統組合應用勢在必行，終端導航天線的多模兼容也成為設計的重點[1]。

四臂螺旋天線因心形方向圖和良好的圓極化特性被廣泛應用于各種導航終端設備。而四臂螺旋天線用于全球衛星導航系統(GNSS)設計的關鍵在于工作帶寬的拓展。最常見的方法就是通過添加寄生臂來引入新的諧振點，但天線受輻射模式限制而繞軸半徑比較小，添加了寄生臂之后結構十分緊湊，可調節的空間較小。為了提高多頻四臂螺旋天線的泛用性，本文以印刷四臂螺旋天線為基礎，詳細介紹了一種新型雙頻四臂螺旋天線的設計方法，工作頻段覆蓋現存衛星導航系統的全部頻率(1 160～1 280 MHz,1 559～1 616 MHz)，同時考慮到天線載體的不穩定性、干擾信號等外部干擾因素，對波束寬度和低仰角增益提出了更高的要求。

1 天線結構設計與分析

此次設計的多頻印刷四臂螺旋天線結構如圖1所示，與傳統多臂技術不同，該天線通過在螺旋臂的末端開出數個不同深寬的槽來實現多頻工作。確定主諧振頻點后，通過調節螺旋臂凹槽的深度以及末端短臂的長度，就可以實現天線的多頻工作，不存在調節空間小、耦合過強等問題。以Ansoft HFSS 18為平臺進行建模仿真。

圖1 多頻四臂螺旋天線模型圖和螺旋臂示意圖

雙頻四臂螺旋天線最終實現的工作頻段為1.16～1.28 GHz和1.53～1.63 GHz，能夠覆蓋全球衛星導航系統的全部頻段，頻段如圖2所示。圖3給出了此天線的3 dB軸比帶寬，在工作頻段內，天線具有優秀的圓極化特性。

圖2 反射系數S11

圖3 天線的軸比帶寬

圖4分別列出了其中3個導航頻點處的方向圖。可以看出在低頻段內表現優秀，具有120°左右的寬波束和-0.5 dB以上的10°仰角增益。但在高頻處的方向圖前后比較小，對來自后向的多徑干擾信號的抵抗能力較弱。

圖4 3個參考導航頻點處的方向圖

2 多徑效應

現代化環境的多樣性也使得電磁波信號的傳播路徑變得更復雜，多徑效應的反射路徑也存在各種情況，如圖5所示。以直達路徑a和地面反射路徑b為例，簡單說明一下信號的路徑延遲和相位延遲。

圖5 多徑干擾信號

信號路徑如圖5(b)所示，天線接收到衛星直達信號A和地面反射信號A′，顯然兩信號之間存在路徑差，稱之為路徑延遲ΔS，有：

ΔS=GR-OR=GR(1-cos(2θ))=

(1)

式中:H為天線架設高度;θ為衛星導航系統中的仰角。

而路徑延遲的存在會導致相位的變化，即相位延遲為：

(2)

式中：λ為載波波長。

反射過程中，大氣中的電磁波傳播呈現指數衰減特性，衰減方程為：

I=I0e-Dβ

(3)

式中：β為衰減系數；D為光程。

從式(3)中也能看出，天線和反射物之間的距離影響信號的衰減大小，β取0.23時，50 m的距離就會使信號衰減100 dB。

雖然扼流圈能夠有效抑制多徑效應，但其一般結構為3～5圈、深度為λ/4的同心波紋，整體結構過大。若在扼流環內加載高介電常數介質減小尺寸，會引入更大的損耗[2]。最終選用加載交叉板反射地面方法來抑制多徑效應產生的負面影響[3]，加載結構的天線模型見圖6。

圖6 加載反射板的四臂螺旋天線

由電磁場基本理論可知，金屬表面的切向電場為零。當某一平面波平行于理想金屬表面入射時，平行電場分量會被削減至零，但電場分量垂直于理想金屬表面的波無法被抵消。通過引入垂直于金屬墻壁的金屬薄片，利用金屬壁和金屬薄片就可以有效地抑制圖7所示的2種徑向傳播的平面波。

圖7 兩種能被抵消的徑向波

加載交叉板反射地面(CPRGP)后，相比加載前天線結構的方向圖對比數據如表1所示。各個頻點的后向輻射被削弱，前后比提高。雖然輻射方向圖的半功率波束寬度整體上略縮小了一些，仰角10°處的增益依舊小于-1.8 dB，仍滿足對于天線增益分布的設計要求。

表1 添加CPRGP前后天線的方向圖參數對照

3 結束語

本文設計了一款用于多模式兼容導航系統的多頻圓極化天線，以印刷四臂螺旋天線為基礎，通過在螺旋臂末端蝕刻深槽來實現2個不同頻段的工作狀態，覆蓋現今導航系統的全部頻點：1.16～1.28 GHz和1.53～1.63 GHz。利用交叉板反射地面來優化天線的輻射性能，仰角10°處增益達到-1.8 dB以上，前后比能夠做到大于15 dB，增強了天線抗多徑干擾的能力，可以作為GNSS接收機天線使用。