寬帶高精度GNSS雙頻柱狀螺旋天線

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 林 飛 李曉鵬

廣州市中海達(dá)測(cè)繪儀器有限公司 李成鋼

廣州中海達(dá)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司 蔡惠萍 楊靈峰

本文設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于高精度GNSS的寬帶高性能雙頻四臂螺旋天線。所設(shè)計(jì)的天線將空心圓柱體介質(zhì)支架應(yīng)用在四軸中心對(duì)稱的螺旋結(jié)構(gòu)中，并采用激光雕刻工藝極大降低了天線制作成本和提高天線工藝精度。本文所設(shè)計(jì)天線采用新型的“卐”字短路結(jié)構(gòu)，加載在1/2波長(zhǎng)主輻射臂的頂端，有效提升了天線低頻段輻射增益和增益帶寬。測(cè)試結(jié)果表明，該天線在1-1.8GHz內(nèi)，駐波比小于2。在接收頻段（低頻段：1.176-1.268GHz和高頻段：1.525-1.602GHz）內(nèi)輻射增益均大于1dBi，高、低頻段內(nèi)3dB軸比波束帶寬分別為190°和195°，表明該天線具有工作帶寬寬、圓極化特性好，低仰角搜星能力強(qiáng)。因此，本文所設(shè)計(jì)天線可廣泛應(yīng)用于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位終端。

隨著地面終端系統(tǒng)的高速發(fā)展，尤其是在測(cè)繪、導(dǎo)航、定位、授時(shí)等高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定位產(chǎn)業(yè)中，對(duì)天線的泛用性提出了更高的要求。如今，單獨(dú)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已無法滿足各類終端日益增長(zhǎng)的需求。因此，能夠兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的、寬頻帶的高性能便攜式天線是目前行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

柱狀體結(jié)構(gòu)的多臂螺旋天線具有較寬的半球覆蓋波束寬度、優(yōu)良的廣角圓極化特性等特點(diǎn)，在各類便攜式終端設(shè)備中得到應(yīng)用廣泛。然而普通的印制螺旋天線在中心諧振頻點(diǎn)的帶寬僅為5%-8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了兼容四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。因此，國外學(xué)者陸續(xù)提出了四臂螺旋天線的一些寬帶化技術(shù)，例如Louvigne提出通過逐漸變寬金屬臂來展寬阻抗帶寬、Letestu設(shè)計(jì)一種折疊型印制螺旋天線并用一條接地的寄生臂與主臂相連來展寬帶寬等。此外，為了實(shí)現(xiàn)多臂螺旋天線多頻應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者還提出了曲折線技術(shù)、電容加載、使用多條互相平行螺旋臂加載，以及寄生臂加載等多種新技術(shù)。

本文根據(jù)多頻多模全頻段衛(wèi)星導(dǎo)航天線的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款工作于GNSS全頻段的緊湊型的高精度雙頻柱狀四臂螺旋天線。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 理論分析

Kilgus諧振式螺旋天線由四根長(zhǎng)度為1/4λ的M倍(M為整數(shù))的螺旋臂繞制而成。每個(gè)螺旋臂饋電端電流幅度相等，相位依次相差。當(dāng)M為奇數(shù)倍時(shí)，旋臂終端短路，當(dāng)M為偶數(shù)倍時(shí)，旋臂終端斷路。

結(jié)構(gòu)參數(shù)可由下式確定：

式中：Lax為螺旋的軸向高度(mm) ，Lele為螺旋臂的長(zhǎng)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(shí))，A=2(M為偶數(shù)時(shí))。根據(jù)計(jì)算，天線螺旋臂長(zhǎng)度約為92mm。

圖1 天線仿真模型

圖2 天線饋電網(wǎng)絡(luò)

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線采用四軸中心對(duì)稱螺旋環(huán)繞結(jié)構(gòu)，四個(gè)螺旋線分長(zhǎng)短一組等間距地纏繞鐳雕在中空柱狀介質(zhì)基材上。介質(zhì)基材采用介電常數(shù)為2.65和損耗正切角為0.0004的輕型塑料材料PPO材質(zhì)加工而成，中空?qǐng)A柱體厚度為1.5mm，直徑為29mm，高度為60mm。天線輻射單元由主輻射臂和耦合輻射臂構(gòu)成，耦合輻射臂與主輻射臂在底部由接地枝節(jié)相連，構(gòu)成PIFA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。主輻射臂為低頻輻射單元，耦合輻射臂為高頻輻射單元。為了提高低頻天線的輻射增益以及增益帶寬，主輻射臂長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為二分之一波長(zhǎng)的整數(shù)倍，并在頂部使用創(chuàng)新型的“卐”字的結(jié)構(gòu)連接。天線頂部的“卐”字結(jié)構(gòu)屬于一種折疊結(jié)構(gòu)，這種折疊結(jié)構(gòu)能夠增加輻射臂之間的電容耦合效應(yīng)，抵消螺旋天線的感性阻抗分量，使天線獲得更好的匹配，從而將天線的帶寬展寬。

為了減少天線的相位中心偏差，使天線具有較高的定位精度，該天線采用均勻軸對(duì)稱的四饋點(diǎn)饋電形式，由在FR4印刷電路板表面上的一分四饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)端口的幅值相等，相鄰相位差值均為90°，如圖2所示。移相合路饋電網(wǎng)絡(luò)的加載使天線獲得了良好的圓極化特性，以及較寬的阻抗帶寬。

圖3 天線實(shí)物

圖4 天線實(shí)測(cè)駐波比隨頻率變化

2 仿真與實(shí)測(cè)分析

通過理論計(jì)算得出天線結(jié)構(gòu)數(shù)值，我們?cè)趯Ｓ秒姶欧抡孳浖袑?duì)天線進(jìn)行仿真與優(yōu)化，并根據(jù)仿真模型優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果，對(duì)天線進(jìn)行了實(shí)物加工，天線實(shí)物如圖3所示。通過使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5071C對(duì)天線進(jìn)行了駐波比測(cè)試，得到天線的駐波比隨頻率變化曲線，如圖4所示。在測(cè)試頻段1-1.8GHz內(nèi)，天線的駐波比均小于2，并且在低頻段（1.176GHz-1.268GHz）以及高頻段（1.525GHz-1.602GHz）內(nèi)天線駐波比低于1.6，說明天線的阻抗匹配良好，能量能夠較大效率地傳輸?shù)教炀€中。

圖5所示為天線仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨頻率變化曲線。從圖可知，天線仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨頻率變化曲線基本吻合，但由于實(shí)物樣品的制作過程中存在偏差，以及實(shí)際饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的相位誤差，所以仿真與實(shí)測(cè)曲線不完全重合。在整個(gè)頻段（1.15-1.35GHz和155-1.65GHz），天線的仿真軸比均低于0.5dB，天線的實(shí)測(cè)軸比均低于1.3dB。說明天線的圓極化性性能優(yōu)秀。

圖5 天線仿真與實(shí)測(cè)軸比隨頻率變化曲線

將所設(shè)計(jì)的天線放置在微波暗室測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)本文所加工天線進(jìn)行了增益測(cè)試，圖6所示為天線仿真與實(shí)測(cè)的增益隨頻率變化的曲線。從圖中可知，天線實(shí)測(cè)與仿真的增益曲線基本吻合，但由于實(shí)物制作過程中的加工誤差、天線實(shí)測(cè)損耗以及調(diào)試過程中的手工調(diào)試誤差等原因，實(shí)測(cè)增益曲線與仿真曲線存在一點(diǎn)偏差。天線仿真的高低頻最大增益分別為3.08dBi和4.56dBi，增益大于1dBi增益頻帶為1.166GHz-1.270GHz和1.519GHz-1.605GHz。天線實(shí)測(cè)的高頻段內(nèi)最大輻射增益為2.8dBi，實(shí)測(cè)的低頻段內(nèi)最大輻射增益為4.09dBi，且在低頻頻段和高頻頻段內(nèi)各工作頻點(diǎn)輻射增益均大于1dBi。根據(jù)北斗全球系統(tǒng)民用基礎(chǔ)類多模多頻高精度天線產(chǎn)品技術(shù)要求和測(cè)試方法，柱狀螺旋天線頻帶內(nèi)最大增益要求≥2dBi（theta = 0°），在各接收頻點(diǎn)范圍內(nèi)≥-2dBi。綜上所述，本文所設(shè)計(jì)天線的增益帶寬和輻射增益均能夠較好地符合設(shè)計(jì)指標(biāo)需求。

圖6 天線仿真與實(shí)測(cè)增益隨頻率變化（theta=0°，phi=0°）

圖7所示為天線在1.227GHz和1.575GHz仿真與實(shí)測(cè)的增益方向圖。從圖可以看出，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但由于實(shí)物饋電網(wǎng)絡(luò)各個(gè)饋電端口幅度和相位的不完全符合理想情況，實(shí)測(cè)方向圖曲線沒有仿真的曲線平滑。低頻（1.227GHz）仿真與實(shí)測(cè)的天頂角增益分別為4.59dBi和3.98dBi，高頻（1.575GHz）仿真與實(shí)測(cè)的天頂角增益分別為1.64dBi和2.55dBi。在主輻射方向，右旋圓極化增益均比交叉極化增益高出20dBi以上，說明各個(gè)端口的幅值、相位受影響程度在誤差范圍之內(nèi)，天線的圓極化特性良好。

圖7 天線仿真與實(shí)測(cè)2D增益方向圖（XOZ面）

圖8 天線仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨角度變化曲線（XOZ面）

圖8所示為天線在1.227GHz和1.575GHz仿真與實(shí)測(cè)的軸比隨角度變化曲線，高頻仿真與實(shí)測(cè)的3dB軸比波束帶寬分別為112°（-56°～56°）和190°（-76°～114°），低頻仿真與實(shí)測(cè)的3dB軸比波束帶寬分別為129°（-64°～65°）和195°（-100°～95°）。由此得出，天線實(shí)物經(jīng)過調(diào)試后，具有較優(yōu)的廣角軸比帶寬和圓極化特性。

結(jié)論：本文設(shè)計(jì)了一款高精度寬頻帶雙頻四臂螺旋GNSS測(cè)量型天線。天線采用空心圓柱體介質(zhì)支架作為天線介質(zhì)加載和支撐結(jié)構(gòu)體，使用短路式四軸對(duì)稱螺旋結(jié)構(gòu)，主輻射臂與耦合輻射臂底部通過接地微帶線相連接，構(gòu)成PIFA結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙頻工作。為了提高低頻天線的增益以及增益帶寬，主輻射臂長(zhǎng)設(shè)計(jì)為1/2λ，并在頂部加載新型“卐”字結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果表明，該螺旋天線增益高、圓極化特性好，低仰角搜星能力強(qiáng)，在接收頻段（1176MHz-1268MH、1525MHz-1602MHz）內(nèi)增益均大于1dBi，高低頻段3dB軸比波束帶寬分別為190°和195°。因此，本文所設(shè)計(jì)天線能夠滿足四大導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的接收應(yīng)用需求，并能夠較好地被廣泛應(yīng)用于高精度衛(wèi)星導(dǎo)航定為終端產(chǎn)品中。

致謝：本文由2018年番禺區(qū)創(chuàng)新領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目——高精度室內(nèi)外定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用（2018-R01-7）支持。