一種用于GPS衛星導航的四臂螺旋圓極化印刷天線

崔靈菲，吳秉琪，劉長軍

1. 四川大學 電子信息學院，四川 成都 610064

2. 無線能量傳輸教育部重點實驗室，四川 成都 610064

3. 河北博威集成電路有限公司，河北 石家莊 050000

GPS衛星導航在軍民用領域得到越來越多的關注和應用。該系統要求接收天線具有可以覆蓋上半平面的寬波束和圓極化特性，并能保持低仰角的性能。常見的GPS接收天線有微帶天線和螺旋天線等[1]。微帶天線對周圍環境敏感，較難實現上半平面波束覆蓋。例如文獻[2]通過將微帶天線的地改變為三維結構，波束寬度提高到了113°；文獻[3]通過在微帶天線頂部加載金屬圓環，將微帶天線的邊射方向圖和金屬圓環的水平全向方向圖組合起來，其波束寬度達到了140°。螺旋天線則具有較寬的圓極化輻射波束，容易實現上半平面的波束覆蓋，在較低的仰角保持了高增益，選擇適當的物理尺寸可形成不同的輻射方向圖。

本文設計了一種適用于GPS衛星導航系統的四臂螺旋印刷天線，由緊湊的饋電網絡和小型化的天線輻射體組合而成。通過四端口依次相差90°的饋電網絡，對卷成圓柱形的印刷四臂螺旋天線等幅饋電，實現滿足GPS標準的地面天線。

1 天線輻射單元設計與實現

1.1 螺旋天線的輻射特性

使用金屬導體按螺旋狀繞制形成天線主體的結構，形成螺旋天線。根據螺旋半徑分為錐體和柱體天線。根據天線結構，分為平面和立體螺旋天線[4?5]。本文采用立體柱體螺旋天線的結構，基本結構和幾何特性如圖1所示。

圖1 螺旋天線基本結構和幾何特性

由于螺旋天線存在多個輻射模式，需要進行篩選運用。本文利用螺旋天線的輻射特征產生圓極化波[6]。當D/λ≈2.5時，產生較好的軸向輻射。

1.2 四臂螺旋天線

諧振式四臂螺旋天線[7]通常由4根螺旋臂組成。4根螺旋臂饋電端幅度相等，相鄰螺旋臂的饋電相位相差90°。

四臂螺旋天線的參數由式（1）確定：

四臂螺旋天線由2個雙臂螺旋天線組成，即雙臂螺旋天線之間旋轉90°且進行正交饋電。

1.3 螺旋天線仿真建模

依據GPS信號中L1載波段的指標要求，本文設計一種小型化印刷四臂螺旋天線，諧振頻率為1 575.42 MHz。具體設計指標要求見表 1。

表1 GPS 四臂印刷螺旋天線的技術指標

天線 方 向 圖 要 求 為 ： 0°~70°， G≥?0.5 dBi；70°~80°，G≥?2.5 dBi；80°~85°，G≥?4.0 dBi。

采用介電常數2.65，厚度為0.2 mm的F4B介質板進行天線設計，建立天線模型，柱體直徑5 cm，高度4.1 cm。如圖2所示。

圖2 仿真模型

四臂螺旋天線的結構尺寸變化時會影響其輻射特性、輸入阻抗、增益和方向性，而軸比主要由天線的半徑、軸向長度和圈數等確定。影響螺旋天線方向圖的主要參數有：

1）軸向長度：當天線圈數一定，軸向長度越長，則軸比越小，3 dB波瓣寬度越寬；

2）圈數：當天線軸向長度一定，圈數越多，則軸比越小，3 dB波瓣寬度越窄；

3）螺距角：螺距角越大，則端口輸入阻抗值越小，帶寬越窄，3 dB波瓣寬度越窄，增益越大。

2 饋電網絡的設計與實現

饋電網絡結構如圖3所示。對于四臂螺旋天線，形成穩定的圓極化輻射的關鍵是獲得四路幅度一致、相位依次相差90°的信號。由于四臂螺旋天線4個端口的激勵信號幅度相等，相鄰端口相位相差 90°[8?10]，可以將 4 個激勵信號表示為：，，，。

圖3 饋電網絡結構

在圖3中，1端口輸入阻抗為

采用介電常數為3.55、厚度為0.813 mm的Rogers 4003C介質板，建立饋電網絡仿真模型，尺寸為 5 cm × 5 cm，如圖 4 所示。

圖4 饋電網絡側面示意圖以及仿真模型

對于設計頻率 1 575.42 MHz，4 個輸出端口相位依次差90°，如圖5(a)所示；饋電網絡可以在很寬的頻帶內（0~3 GHz）保持輸入相差，如圖5(b)所示。輸出端口幅度響應變化低于0.3 dB。

圖5 饋電網絡仿真

3 加工與測試

對設計好的天線模型進行加工測試。本文天線實物如圖6所示。天線高H=5.3 cm，半徑R=2.5 cm。

圖6 天線加工實物

圖7給出了該天線的輸入反射系數|S11|以及在1 575.42 MHz處的軸比RA的仿真與實測結果。圖8給出了天線的仿真與實測方向圖的結果。

圖7 輸入反射系數和軸比仿真與實測對比

圖8 天線方向圖仿真與實測

匯總測量指標如表2所示。本文設計的印刷四臂螺旋天線滿足GPS信號中L1載波段的指標要求。

表2 指標實現情況

天線方向圖：0°~70°，G≥?0.4 dBi；70°~80°，G≥?2.19 dBi；80°~85°，G≥?3.15 dBi。在各角度均滿足了GPS天線L1頻段的要求。

通過和其他文獻對比舉例匯總如表3。

表3 天線技術對比

4 結論

本文設計了一款適用于GPS衛星導航的四臂螺旋印刷天線，天線的仿真和實測結果吻合。

1）該天線具有良好的寬波束和圓極化特性，增益高，可以滿足工程應用需求，比文獻[10]中的天線增益提高了2.6 dB，低于其使用聚四氟乙烯介質柱的成本；

2）該天線的體積小，分別比文獻[11]、[12]中的天線體積減小了60%和76%。而文獻[10]采用介質填充，并且頻率為2.1 GHz，故尺寸較小；

3）饋電網絡緊湊，使用單端口饋電，具有良好的擴展性和應用價值。