寬帶高精度GNSS雙頻柱狀螺旋天線

李曉鵬 李銳雄 高偉

摘? 要：文章設計了一種GNSS雙頻寬帶多臂螺旋天線，采用精度高、成本低的激光雕刻工藝，將螺旋臂加載在介質支架上。為了提高增益，在低頻輻射臂頂端加載新型短路結構，引入四條寄生臂形成耦合諧振，拓展低頻段的工作帶寬。測試結果表明，在1.175～1.267 GHz、1.517～1.624 GHz頻段內增益大于1 dBi，兩個頻段內的最高增益分別為4.09 dBi、2.8 dBi，高低頻段3 dB軸比波束寬度分別為190°、195°。由此得知該天線能覆蓋四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)所有頻點，滿足GNSS精確測量設備的需求。

關鍵詞：螺旋天線;導航系統(tǒng);寬帶;短路結構;寄生

中圖分類號：TN823+.31 ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）01-0048-05

Abstract： In this paper， a dual-frequency wideband multi-arm antenna is designed. The helical arm is loaded on the dielectric support by using the laser engraving process with high precision and low cost. In order to improve the radiation gain of the antenna， a novel short-circuit structure is loaded on the top of the low-frequency radiating arms. Four parasitic arms are introduced to form a coupling resonance and expand the working bandwidth of low frequency band. The test results show that the gains are greater than 1 dBi in the frequency bands of 1.175～1.267 Ghz and 1.517～1.624 Ghz， and the peak gains reach 4.09 dBi and 2.8 dbi， respectively. The 3 dB axial ratio beamwidths of the high and low frequency band reach 190° and 195°， respectively. Therefore， it is known that the antenna can cover all frequency points of the four satellite navigation systems and meet the requirements of GNSS accurate measurement equipment.

Keywords： spiral antenna; navigation system; windband; short-circuit structure; parasitic

0? 引? 言

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System， GNSS）在精準定位服務領域應用范圍極其廣泛。隨著高度集成化、智能化地面終端系統(tǒng)的飛速發(fā)展，在測繪、導航、定位、授時等高精度衛(wèi)星導航定位產(chǎn)業(yè)中，對高精度導航定位天線的性能提出更高的要求。相較于早期模式單一的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，多模多頻聯(lián)合導航具有覆蓋范圍廣、導航精度高、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，成為衛(wèi)星導航未來發(fā)展方向。因此，能夠兼容四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)、寬頻帶、高性能便攜式GNSS天線是目前行業(yè)研究的熱點課題。多頻多模多臂柱狀螺旋天線具有半球覆蓋波束較寬、廣角圓極化優(yōu)良、結構設計緊湊等優(yōu)點，在各類移動式、便攜式終端設備中得到廣泛的應用[1]。

為了實現(xiàn)多頻多模多臂柱狀螺旋天線在GNSS頻段的應用，國內外很多學者提出了設計方案[1-11]，文獻[1]運用曲折線技術開發(fā)出可工作于GNSS全頻段的雙頻四臂螺旋天線，但這種天線的尺寸較大，直徑為25 mm，高度為140 mm。為了減小天線的尺寸，文獻[2]提出采用相對介電常數(shù)為40的陶瓷材料，使得天線縱向尺寸大幅度減小，只有傳統(tǒng)空氣加載的四臂螺旋天線體積的2.7%，但采用高介電常數(shù)的材料會帶來很高的介質損耗，必將增加加工成本。文獻[3]設計了一種縫隙螺旋天線，整個天線可以安置在一個完整的印刷電路板上，所以易于加工、成本較低，但缺點是帶寬較窄而且增益較低。文獻[4]通過電容加載，開發(fā)出直徑33 mm，長度僅為68 mm的折疊四臂螺旋天線，它的工作頻段為1 244～1 282 MHz、1 524～1 588 MHz;文獻[5]采用三條互相平行的螺旋臂，設計并實現(xiàn)了直徑25.65 mm，高度26.67 mm的小型化四臂螺旋天線，其高低頻阻抗帶寬分別為60 MHz和30 MHz，雖然上述兩種天線在一定程度上實現(xiàn)了小型化設計，但這兩種天線的工作帶寬都比較窄，不能完全覆蓋GNSS全頻段全星座工作頻點，無法滿足多系統(tǒng)多頻聯(lián)合定位需求。文獻[6]采用短路寄生臂與主螺旋臂短接的方法，通過調整主螺旋臂寬度以及它與短路寄生臂之間的縫隙，使得天線阻抗帶寬達到30%，但天線體積依舊比較大，不能滿足終端高度集成化需求。文獻[7]提出一種天線直徑24 mm、高度44.1 mm的小型化四臂螺旋GNSS天線，但其工作帶寬較窄，增益較低。文獻[8]提出通過一種新型寄生臂的方式設計開發(fā)直徑12.8 mm、高度40 mm的小型化四臂螺旋GNSS天線，但其高低頻最大增益僅為1.52 dBi，最大輻射增益沒有明顯優(yōu)勢。因此，設計一款增益較高、帶寬較大、尺寸較小、成本較低的雙頻多臂螺旋天線將是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。本文根據(jù)多頻多模全頻段衛(wèi)星導航天線的設計要求，設計了一款工作于GNSS全頻段的高精度雙頻多臂柱狀螺旋天線，并且在一定程度內縮小了天線尺寸，實現(xiàn)了天線的寬頻帶緊湊式設計。

1? 天線設計

1.1? 理論分析

Kilgus諧振式螺旋天線由四根長度為λ/4的M倍（M為整數(shù)）螺旋臂繞制而成[9-15]。各個螺旋臂饋電端的電流幅度相等，相位依次相差90°。當M為奇數(shù)時，旋臂終端開路;當M為偶數(shù)時，旋臂終端短路。

結構參數(shù)可由下式確定：

其中，Lax為螺旋的軸向高度（mm），Lele為螺旋臂的長度（mm），r0為螺旋半徑（mm），N為螺旋的圈數(shù)。A=1（M為奇數(shù)時），A=2（M為偶數(shù)時）。

1.2? 結構設計

本文設計的螺旋天線結構模型如圖1、圖2所示，與一般的多臂柱狀螺旋天線不同，該天線上部分采用圓臺中空結構介質支架，下部分采用圓柱中空結構介質支架，介質支架基材是采用介電常數(shù)為2.65、損耗正切角為0.000 4的低損耗塑料介質材料加工而成的。介質支架厚度為0.9 mm，圓臺體上截面、下截面直徑和高度分別為23.6 mm、29.6 mm、 35 mm，圓柱體直徑和高度分別為29.6 mm、24 mm。滿足λ/4電長度的高頻和λ/2電長度的低頻構成一組雙頻主輻射臂單元，一共有四組分別纏繞在中空結構介質支架上，靠近每組主輻射臂的低頻枝節(jié)分別等間距寄生一組開路臂并且同樣纏繞在中空結構介質支架上，構成GNSS天線的雙頻輻射部分，高頻主輻射臂與低頻主輻射臂在底部由接地枝節(jié)相連，形成PIFA電路結構，進而實現(xiàn)雙頻信號接收。為了提高天線低頻輻射臂輻射增益和增益帶寬，主輻射臂低頻枝節(jié)電長度設計為λ/2，并在頂部使用特殊短路枝節(jié)進行連接。另外，將寄生臂緊貼著低頻主輻射臂纏繞，通過耦合可產(chǎn)生一耦合諧振峰，從而進一步實現(xiàn)低頻段的寬帶化設計。

為提高天線電氣相位中心精度和穩(wěn)定性，使天線具備更高的定位精度，采用軸向對稱的四饋點饋電形式，通過印制在FR4電路板上的一分四移相饋電網(wǎng)絡實現(xiàn)合路，每個端口的幅值相等，相鄰饋電點相位差值均為90°，如圖3所示。

2? 仿真與實測分析

本文借助天線專用電磁仿真軟件對天線進行仿真及性能指標優(yōu)化設計，并根據(jù)仿真模型優(yōu)化的參數(shù)結果，對天線進行實物加工與調試，天線實物如圖4、圖5所示。使用矢量網(wǎng)絡分析儀E5071C對天線進行駐波比測試，得到天線駐波比隨頻率變化而變化的曲線，如圖6所示。在測試頻段1.0～1.8 GHz內，實測天線駐波比均小于2 dB，說明天線具有良好的阻抗匹配特性，輻射效率較高且能夠最大限度地將能量傳輸?shù)教炀€輻射出去。

如圖7所示為天線仿真與實測軸比隨頻率變化曲線。由圖7可知，天線仿真軸比曲線與實測軸比曲線基本吻合，但由于實物樣品制作過程中存在一定的偏差，再加上實際饋電網(wǎng)絡產(chǎn)生的相位誤差，所以仿真軸比曲線與實測軸比曲線不完全重合。在整個頻段（1.15～1.35 GHz和1.55～1.65 GHz）中，天線仿真軸比均低于0.5 dB，天線實測軸比均低于1.3 dB。這說明天線具有優(yōu)良的圓極化性能，滿足優(yōu)異圓極化天線抗干擾設計要求，保障天線低仰角衛(wèi)星信號接收質量更加優(yōu)異，系統(tǒng)定位精度更加穩(wěn)定。

在微波暗室測量系統(tǒng)中，對本文所加工天線實物樣機進行增益測試，如圖8所示為天線仿真與實測增益隨頻率變化的曲線（theta=0°，phi=0°）。由圖8可知，天線實測增益與仿真增益曲線基本吻合。天線仿真的高頻和低頻最大增益分別為3.08 dBi、4.56 dBi，大于1 dBi的增益頻帶范圍分別為1.168～1.271 GHz和1.508～1.601 GHz。實測的天線高頻段和低頻段內最大輻射增益分別為2.8 dBi和4.09 dBi，大于1 dBi的增益頻帶范圍分別為1.175～1.267 GHz和1.517～1.624 GHz，進而得出本文天線在寬頻帶內具有較高的輻射增益，能夠很好地滿足全頻段衛(wèi)星導航定位天線的設計要求。

如圖9、圖10所示為天線在1.227 GHz和1.575 GHz頻段的仿真與實測增益方向圖。從圖可以看出，仿真與實測結果基本吻合，但由于實物饋電網(wǎng)絡各個饋電端口幅度和相位不完全符合理想情況，實測方向曲線沒有仿真曲線平滑。在主輻射方向上，右旋圓極化增益比交叉極化增益均高出20 dBi以上，這說明各個端口的幅值、相位受影響程度在誤差范圍之內，天線具有良好的圓極化性能。

如圖11、圖12所示為天線在1.227 GHz、1.575 GHz頻段的仿真與實測軸比隨角度變化曲線，天線高頻仿真與實測的3 dB軸比波束寬度分別為112°（-56°～56°）和190°（-76°～114°），低頻仿真與實測的3 dB軸比波束寬度分別為129°（-64°～65°）和195°（-100°～95°）。綜上所述，天線實物具有良好的廣角軸比波束寬度和圓極化特性。

為明確本文所設計天線與其他天線的性能差異，給出了如表1所示的天線性能參數(shù)對比表。由表1可知，本文天線的阻抗帶寬較寬，其他參考天線的阻抗帶寬都較窄。本文天線3 dB軸比波束寬度比其他參考天線都要寬，說明本文天線具有出色的圓極化特性和較強的低仰角搜星能力，從而保障衛(wèi)星導航定位終端在各種環(huán)境下都能接收到更多的衛(wèi)星信號并進行定位解算，這樣便可使得定位解算精度和穩(wěn)定性得到大幅提升。此外，本文天線比其他參考天線的尺寸要小，便于在各種高度集成式（便攜式）小型導航定位終端平臺上使用。

3? 結? 論

本文設計了一款新型高精度寬頻帶雙頻四臂螺旋GNSS測量天線。天線采用上部分圓臺下部分圓柱組合結構的空心介質作為天線介質加載和支撐結構體，采用短路四軸對稱螺旋結構，高低頻主輻射臂底部通過接地微帶線相連接，構成PIFA結構，實現(xiàn)雙頻段信號接收。為了提高低頻天線的增益和增益帶寬，引入四條寄生臂緊貼于低頻螺旋臂。測試結果表明，該螺旋天線具有工作頻帶寬、增益高、圓極化特性好、低仰角搜星能力強等優(yōu)點，在接收頻段（1.175～1.267 GHz、1.517～1.624 GHz）內增益均大于1 dBi，高低頻段3 dB軸比波束帶寬分別為190°和195°。因此，本文所設計天線能夠很好地滿足四大導航系統(tǒng)衛(wèi)星信號的接收應用需求，可以廣泛應用于高精度衛(wèi)星導航定位終端產(chǎn)品中。

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作者簡介：李曉鵬（1987—），男，漢族，陜西渭南人，工程師，碩士，研究方向：北斗導航定位終端核心部件研制。