四臂螺旋卫星导航接收天线的设计

谢子仪 陈万通 韩梦凡 申奥 叶梦凡

（中国民航大学电子信息与自动化学院，天津 300300）

全球卫星导航系统近几十年来不断进步和完善，其相较于过去的无线电定位系统，大大提高了定位的精确性以及工作效率。在全球四大卫星导航系统中，我国自主研发的定位系统——北斗卫星导航系统具有优越的性能，不仅为全球范围内的用户提供高精度的定位导航服务，同时在社会生产生活的多个方面都发挥了重要的作用。

接收天线则是卫星导航系统的关键器件。接收天线将接收到的电磁波信号转化成电信号，便于后续的分析计算。接收机天线需要满足以下要求：第一，天线必须要有能够接收上半球空间来波，尤其是接收俯仰角较低的电磁波的能力，即天线要具有良好的全向性。第二，接收天线为圆极化辐射模式。相比于线极化天线受到约束的方向性能，圆极化天线可以接收任意方向上的电磁波。同时，与线极化波相比，圆极化波可有效抵抗雨雾干扰和减少多径反射[1]。

在卫星导航领域，传统天线的尺寸和体积都比较大，为满足实际生产生活的需要，对于天线的要求越来越严格，需要天线体积小，重量轻，而且具有良好的圆极化与宽频带电气性能[2]。四臂螺旋天线结构的高度对称性，使其具有更加优良的圆极化特性。它的辐射方向图可以覆盖上半球空间，在低仰角也有着良好的辐射性能。此外，四臂螺旋天线的结构可以用柔性材料印刷制成，这种材料更易加工且加工精度高，制成的天线体积更小，在工程上受到更多的重视[3]。综上，四臂螺旋天线拥有着很高的实用价值，是值得研究的一种天线。本文着重研究四臂螺旋天线的结构和参数。

1 天线的基本理论

四臂螺旋天线可以看作是由四条绕着某一旋转轴螺旋上升到同一高度的螺旋臂组合而成的结构。每根单独的螺旋臂长度均为Mλ/4，（M是正整数，λ 是工作波长）。为了保证天线的正常工作，应该对天线四个馈点进行幅度相同，相位相差90°的馈电[4]。

决定天线的结构参数的公式为：

公式（1）中Lax为螺旋臂的轴向长度（即高度）；N 为螺旋臂绕行的圈数；Lele是每根螺旋臂的长度，都是λM/4，A 与M之间存在着：当M为奇数时，A=1；M为偶数时，A=2 的关系；r0是螺旋臂绕轴旋转的螺旋半径。每一个参数都会对四臂螺旋天线构造产生影响，也会对四臂螺旋天线辐射特性有影响[4]。

2 天线的设计

2.1 设计指标

天线结构：四臂螺旋结构；

支持卫星信号：B1（1561.098MHz）；

最大增益：≥2.5dB；

极化方式：圆极化；

天线轴比：≤1.5dB；

水平面覆盖角度：360°。

2.2 基本设计

本次天线的结构设计选用北斗2 号卫星B1（1561.098MHz）频段。测量四臂螺旋天线性能好坏的指标中重要的一项便是观察其辐射方向图是否为心形[4]。在公式（1）的限制下，考虑到保证天线的性能，最终选择0.27 倍的工作波长作为天线的螺旋半径，四分之三倍波长的天线长度环绕圆柱体载体四分之三圈。通过公式（1）计算，最终得到天线尺寸如下：w=49.3mm，W=51.3mm，H=2mm，H1=48.75mm。

图1 四臂螺旋天线模型整体结构图

图2 四臂螺旋天线单根螺旋臂结构图

在对模型材料进行选择时，印刷天线臂的圆柱体载体外表面材料应当介电性质良好，且有适应温度变化而不改变性能的能力。在符合介电常数要求下，选择了造价适中的聚酰亚胺作为圆柱体外表面的材料。将导电材料混合在糊状油墨中，采用RFID天线印刷工艺，将导电油墨通过轮转网版的方式印刷在基材上，形成可以导电的电路。成型后，经过UV＆烘干并固定住天线图形，对天线功能进行读写检测，检测无误后才能成品。这样做成的天线同样有传统缠绕式天线应有的接收和发射功能[6]。

3 HFSS 仿真

3.1 仿真参数设置

3.1.1 边界条件的设置。现实当中螺旋体是一个立体结构，为了方便仿真计算，在HFSS 中用平面结构来等效螺旋线，将螺旋线设置成金属面以达到理想的仿真效果。选择四条螺旋线，分别将其设置为Perfect E，达到仿真所需要的金属结构效果。

3.1.2 辐射表面的设置。一般地，辐射边界大小原则上不能小于距离天线四分之一波长范围，根据计算设置了一个进行辐射的辐射圆柱体airbox，其高为147.75mm，半径为73.15mm。在建立辐射圆柱体后，对其进行辐射面的添加，将其设置为Rad1。

3.1.3 馈点的设置。为了实现天线的圆极化辐射特性，给4根臂的馈电的端口的电流幅度应该相等，相位应该两两相差90°。在四臂螺旋天线底部设置四个点，分别对每一条螺旋臂供电。

3.2 仿真

天线仿真主要关注的是几个结果：回波损耗S11，天线方向图，还有轴比。

对仿真结果进行分析，观察图3 回波损耗图，其谐振频率点在1.54GHz 附近，但是在1.56GHz±0.004GHz 没有达到-10dB，即工作带宽在1.56GHz 没有达到预期的效果，因此需要进行更精确的优化仿真。

图3 回波损耗S11 图

下面对针对仿真结果进行优化。在公式（1）不改变的前提下，可以修改天线螺旋臂绕轴旋转的高度H 使得整个螺旋臂的轴向高度产生变化，从而使得四臂螺旋天线能在设计指标上正常工作。将线高度设置为一个变量H，添加了变量H 后，辐射体半径不变，高度变为145.75mm+H，天线绕轴旋转线高度、天线贴合圆柱体等均会虽发生变化。相关的模型重置完成后，在目标频率中设置指标要求进行优化。对1.56GHz 处的回波损耗进行设置，将其降为-10dB 以下以满足设计需求。重置优化完成后，再次对天线进行仿真。仿真结果如图4～6 所示。

图4 优化后回波损耗

图5 优化后轴比

图6 优化后方向图

对优化后结果进行分析，优化后回波损耗达到了设计指标，虽然谐振频率仍然在1.54GHz 附近，但是整个工作带宽进行了扩展，在1.56GHz 处达到了-10dB 的增益，达到了指标要求。同时，天线轴比最小值在0.1dB 附近，与优化前无明显差别，同样达到设计指标。此外，天线方向图最大增益达到了5.8dB，且在全部方向上都能达到增益效果且符合心形方向图的要求，总体而言，完成了预期的设计指标。

4 结论

近年来，卫星导航系统的进步与发展，在一定程度上便利了我们的生活。而这有赖于对天线的不断研究与新的探索发现。本文设计了一种可以基于北斗2 号卫星B1 频段工作的，性能优良的右旋圆极化四臂螺旋接收天线。回波损耗在工作带宽内达到-10dB，最小轴比为0.1dB 左右，在整个方向上都具有一定增益，同时最大增益达到了5.8dB，仿真结果达到了预期目标。