用于北斗衛星定位的漸變縫隙螺旋陣列天線

林斌

摘要：對傳統的微帶縫隙天線進行了大膽而富有創新性的改進，將折線螺旋結構和漸變矩形貼片結構相結合，設計了漸變貼片折線螺旋結構，對其進行取反操作后得到了全新的漸變縫隙螺旋結構，提高了天線的帶寬。針對北斗衛星導航系統對衛星定位天線的性能要求，使用漸變縫隙螺旋結構作為陣元天線，多個陣元天線按照直線結構排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線。實測結果顯示，該款天線可以完全覆蓋北斗衛星導航系統工作頻段，定向工作性能好，是性能優異的北斗衛星定位天線。

關鍵詞：北斗衛星定位；微帶縫隙天線；折線螺旋天線；漸變縫隙螺旋結構；直線陣列天線

*基金項目：

1）福建省自然科學基金項目，項目編號2020J01039；

2）漳州市科技計劃項目，項目編號ZZ2020J04；

3）福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目，項目編號閩教科[2017]52號

衛星定位系統是20世紀末和21世紀初最重要的科研成果之一，為導航定位、交通運輸、精確授時提供了技術支持。在定位系統中，定位衛星發送定位信號，接收機接收信號并給與反饋，通過記錄信號的傳播時間，可以計算出衛星與地面接收機之間的距離。綜合多個衛星在軌道中的位置以及它們與地面接收機的距離，就可以準確定位地面接收機所在位置的經度、緯度和高度，實現高精度定位。衛星定位系統受地面氣象條件的影響較小，可以全天候全自動完成測量。世界主要國家都在衛星定位系統的研發上投入了巨大的人力物力，目前已有一批較為成熟的衛星定位系統投入使用，全世界最成熟、最主要的衛星定位系統是美國研發的全球定位系統和中國研發的北斗衛星導航系統[1-4]。

北斗衛星導航系統由中國自主設計和研發，具有完全的知識產權，目前已在多個領域得到廣泛應用[5-10]。衛星定位終端天線是北斗衛星導航系統的重要組成部分，衛星定位終端天線的性能對北斗衛星導航系統的整體性能有著決定性的關鍵作用。衛星定位終端天線必須完全覆蓋北斗衛星導航系統的（1.204～1.564） GHz 工作頻段，能夠定向輻射且波瓣寬度小、副瓣和后瓣輻射較弱，滿足小體積和高輻射強度要求。

1漸變縫隙螺旋結構簡介

微帶縫隙天線在目前應用最為廣泛、技術最為成熟的一類射頻天線，具有工作頻段穩定可靠、輻射強度較高等多種優點。傳統的微帶縫隙天線是窄帶天線，相對工作帶寬通常小于5%，需要進行改進設計才能擁有一定的寬頻帶工作能力[11-16]。

9個正方形金屬輻射貼片，依照折線螺旋的規律，從大到小排列，可以得到漸變貼片折線螺旋結構。9個正方形金屬輻射貼片從饋電點旋轉到螺旋輻射區中心，每片輻射貼片的邊長逐漸減小。對漸變貼片折線螺旋結構進行取反操作后可得到漸變縫隙螺旋結構，如圖1所示。漸變縫隙螺旋結構用于天線設計時，可以利用多個尺寸不同的輻射縫隙的輻射頻率疊加效應，實現對較寬工作頻段的覆蓋。

2天線結構設計

天線使用 FR4介質基板，它的介電常數為6，尺寸為55 mm ×15 mm ×1 mm。天線背面為全金屬接地結構。天線輻射貼片如圖2所示，它由3個漸變縫隙螺旋陣元天線，按照直線結構排列組成的漸變縫隙螺旋陣列天線輻射貼片。

每個漸變縫隙螺旋陣元天線的尺寸是15 mm ×15 mm，分為3行3列共9個尺寸為5 mm ×5 mm 的正方形區域；在每個正方形區域的中心位置開出1個正方形輻射縫隙，從右上角的正方形區域開始，按照逆時針螺旋順序，每個正方形輻射縫隙的邊長逐漸減小，9個正方形輻射縫隙的邊長依次為4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 mm，每兩個正方形輻射縫隙之間有直線縫隙相連。3個陣元天線按照直線結構排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線，可以增強天線整體的輻射強度，并有效增加天線輻射的方向性。

3天線輻射性能測試

我們使用腐蝕工藝制板法制作了天線樣品，對天線的回波損耗性能和輻射方向性能進行了實際測試，結果如圖3、圖4、圖5所示。

該款天線覆蓋了（1.108～1.862） GHz 的頻段，天線帶寬為0.754 GHz，天線諧振頻率為1.41 GHz，回波損耗最小值為-46.91 dB 。天線實現了對北斗衛星導航系統的1.204～1.564 GHz 工作頻段的完全覆蓋。該款天線的方向圖的主瓣最大增益為13.23 dB，E面主瓣寬度為84°，E 面副瓣電平為-11.21 dB，E 面前后比為10.71 dB； H 面主瓣寬度為80°，H 面副瓣電平為-10.41 dB，H 面前后比為9.76 dB 。該款天線具有優異的定向輻射能力。

4結束語

本文針對傳統的微帶縫隙天線工作帶寬不足的缺點，采用融合設計的思路，將折線螺旋結構和漸變矩形貼片結構相結合，提出了漸變縫隙螺旋結構并將其應用于北斗衛星定位天線的設計。漸變縫隙螺旋結構使用9個尺寸依次減小的正方形輻射縫隙按照折線螺旋規律串接組成，9個縫隙的輻射相疊加，保證了天線具有較大的工作帶寬。多個漸變縫隙螺旋天線按照直線結構排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線，同時增加了天線的輻射強度和輻射方向性。實際測試結果顯示，該款天線能夠完全覆蓋北斗衛星導航系統的（1.204～1.564） GHz 工作頻段，輻射強度高且有較大性能冗余，能夠定向輻射且波瓣寬度較小、副瓣電平較低、前后比較高，有望作為一款高性能衛星定位天線得到大規模應用。

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