宽带高精度GNSS双频柱状螺旋天线

广州中海达卫星导航技术股份有限公司 林 飞 李晓鹏

广州市中海达测绘仪器有限公司 李成钢

广州中海达卫星导航技术股份有限公司 蔡惠萍 杨灵峰

本文设计了一款应用于高精度GNSS的宽带高性能双频四臂螺旋天线。所设计的天线将空心圆柱体介质支架应用在四轴中心对称的螺旋结构中，并采用激光雕刻工艺极大降低了天线制作成本和提高天线工艺精度。本文所设计天线采用新型的“卐”字短路结构，加载在1/2波长主辐射臂的顶端，有效提升了天线低频段辐射增益和增益带宽。测试结果表明，该天线在1-1.8GHz内，驻波比小于2。在接收频段（低频段：1.176-1.268GHz和高频段：1.525-1.602GHz）内辐射增益均大于1dBi，高、低频段内3dB轴比波束带宽分别为190°和195°，表明该天线具有工作带宽宽、圆极化特性好，低仰角搜星能力强。因此，本文所设计天线可广泛应用于高精度卫星导航定位终端。

随着地面终端系统的高速发展，尤其是在测绘、导航、定位、授时等高精度卫星导航定位产业中，对天线的泛用性提出了更高的要求。如今，单独的卫星导航系统已无法满足各类终端日益增长的需求。因此，能够兼容四大卫星导航系统的、宽频带的高性能便携式天线是目前行业研究的热点。

柱状体结构的多臂螺旋天线具有较宽的半球覆盖波束宽度、优良的广角圆极化特性等特点，在各类便携式终端设备中得到应用广泛。然而普通的印制螺旋天线在中心谐振频点的带宽仅为5%-8%，远远满足不了兼容四大卫星导航系统的需求。因此，国外学者陆续提出了四臂螺旋天线的一些宽带化技术，例如Louvigne提出通过逐渐变宽金属臂来展宽阻抗带宽、Letestu设计一种折叠型印制螺旋天线并用一条接地的寄生臂与主臂相连来展宽带宽等。此外，为了实现多臂螺旋天线多频应用，国内外学者还提出了曲折线技术、电容加载、使用多条互相平行螺旋臂加载，以及寄生臂加载等多种新技术。

本文根据多频多模全频段卫星导航天线的设计要求，设计了一款工作于GNSS全频段的紧凑型的高精度双频柱状四臂螺旋天线。

1 天线设计

1.1 理论分析

Kilgus谐振式螺旋天线由四根长度为1/4λ的M倍(M为整数)的螺旋臂绕制而成。每个螺旋臂馈电端电流幅度相等，相位依次相差。当M为奇数倍时，旋臂终端短路，当M为偶数倍时，旋臂终端断路。

结构参数可由下式确定：

式中：Lax为螺旋的轴向高度(mm) ，Lele为螺旋臂的长度(mm) ，r0为螺旋半径(mm) ，N为螺旋的圈数。A=1(M为奇数时)，A=2(M为偶数时)。根据计算，天线螺旋臂长度约为92mm。

图1 天线仿真模型

图2 天线馈电网络

1.2 结构设计

本文所设计的天线结构如图1所示，该天线采用四轴中心对称螺旋环绕结构，四个螺旋线分长短一组等间距地缠绕镭雕在中空柱状介质基材上。介质基材采用介电常数为2.65和损耗正切角为0.0004的轻型塑料材料PPO材质加工而成，中空圆柱体厚度为1.5mm，直径为29mm，高度为60mm。天线辐射单元由主辐射臂和耦合辐射臂构成，耦合辐射臂与主辐射臂在底部由接地枝节相连，构成PIFA结构，实现了双频工作。主辐射臂为低频辐射单元，耦合辐射臂为高频辐射单元。为了提高低频天线的辐射增益以及增益带宽，主辐射臂长度设计为二分之一波长的整数倍，并在顶部使用创新型的“卐”字的结构连接。天线顶部的“卐”字结构属于一种折叠结构，这种折叠结构能够增加辐射臂之间的电容耦合效应，抵消螺旋天线的感性阻抗分量，使天线获得更好的匹配，从而将天线的带宽展宽。

为了减少天线的相位中心偏差，使天线具有较高的定位精度，该天线采用均匀轴对称的四馈点馈电形式，由在FR4印刷电路板表面上的一分四馈电网络实现，每个端口的幅值相等，相邻相位差值均为90°，如图2所示。移相合路馈电网络的加载使天线获得了良好的圆极化特性，以及较宽的阻抗带宽。

图3 天线实物

图4 天线实测驻波比随频率变化

2 仿真与实测分析

通过理论计算得出天线结构数值，我们在专用电磁仿真软件中对天线进行仿真与优化，并根据仿真模型优化的参数结果，对天线进行了实物加工，天线实物如图3所示。通过使用矢量网络分析仪E5071C对天线进行了驻波比测试，得到天线的驻波比随频率变化曲线，如图4所示。在测试频段1-1.8GHz内，天线的驻波比均小于2，并且在低频段（1.176GHz-1.268GHz）以及高频段（1.525GHz-1.602GHz）内天线驻波比低于1.6，说明天线的阻抗匹配良好，能量能够较大效率地传输到天线中。

图5所示为天线仿真与实测的轴比随频率变化曲线。从图可知，天线仿真与实测的轴比随频率变化曲线基本吻合，但由于实物样品的制作过程中存在偏差，以及实际馈电网络产生的相位误差，所以仿真与实测曲线不完全重合。在整个频段（1.15-1.35GHz和155-1.65GHz），天线的仿真轴比均低于0.5dB，天线的实测轴比均低于1.3dB。说明天线的圆极化性性能优秀。

图5 天线仿真与实测轴比随频率变化曲线

将所设计的天线放置在微波暗室测量系统中，对本文所加工天线进行了增益测试，图6所示为天线仿真与实测的增益随频率变化的曲线。从图中可知，天线实测与仿真的增益曲线基本吻合，但由于实物制作过程中的加工误差、天线实测损耗以及调试过程中的手工调试误差等原因，实测增益曲线与仿真曲线存在一点偏差。天线仿真的高低频最大增益分别为3.08dBi和4.56dBi，增益大于1dBi增益频带为1.166GHz-1.270GHz和1.519GHz-1.605GHz。天线实测的高频段内最大辐射增益为2.8dBi，实测的低频段内最大辐射增益为4.09dBi，且在低频频段和高频频段内各工作频点辐射增益均大于1dBi。根据北斗全球系统民用基础类多模多频高精度天线产品技术要求和测试方法，柱状螺旋天线频带内最大增益要求≥2dBi（theta = 0°），在各接收频点范围内≥-2dBi。综上所述，本文所设计天线的增益带宽和辐射增益均能够较好地符合设计指标需求。

图6 天线仿真与实测增益随频率变化（theta=0°，phi=0°）

图7所示为天线在1.227GHz和1.575GHz仿真与实测的增益方向图。从图可以看出，仿真结果与实测结果基本吻合，但由于实物馈电网络各个馈电端口幅度和相位的不完全符合理想情况，实测方向图曲线没有仿真的曲线平滑。低频（1.227GHz）仿真与实测的天顶角增益分别为4.59dBi和3.98dBi，高频（1.575GHz）仿真与实测的天顶角增益分别为1.64dBi和2.55dBi。在主辐射方向，右旋圆极化增益均比交叉极化增益高出20dBi以上，说明各个端口的幅值、相位受影响程度在误差范围之内，天线的圆极化特性良好。

图7 天线仿真与实测2D增益方向图（XOZ面）

图8 天线仿真与实测的轴比随角度变化曲线（XOZ面）

图8所示为天线在1.227GHz和1.575GHz仿真与实测的轴比随角度变化曲线，高频仿真与实测的3dB轴比波束带宽分别为112°（-56°～56°）和190°（-76°～114°），低频仿真与实测的3dB轴比波束带宽分别为129°（-64°～65°）和195°（-100°～95°）。由此得出，天线实物经过调试后，具有较优的广角轴比带宽和圆极化特性。

结论：本文设计了一款高精度宽频带双频四臂螺旋GNSS测量型天线。天线采用空心圆柱体介质支架作为天线介质加载和支撑结构体，使用短路式四轴对称螺旋结构，主辐射臂与耦合辐射臂底部通过接地微带线相连接，构成PIFA结构，实现了双频工作。为了提高低频天线的增益以及增益带宽，主辐射臂长设计为1/2λ，并在顶部加载新型“卐”字结构。测试结果表明，该螺旋天线增益高、圆极化特性好，低仰角搜星能力强，在接收频段（1176MHz-1268MH、1525MHz-1602MHz）内增益均大于1dBi，高低频段3dB轴比波束带宽分别为190°和195°。因此，本文所设计天线能够满足四大导航系统卫星信号的接收应用需求，并能够较好地被广泛应用于高精度卫星导航定为终端产品中。

致谢：本文由2018年番禺区创新领军团队项目——高精度室内外定位系统关键技术研究及应用（2018-R01-7）支持。