宽带高精度GNSS双频柱状螺旋天线

李晓鹏 李锐雄 高伟

摘  要：文章设计了一种GNSS双频宽带多臂螺旋天线，采用精度高、成本低的激光雕刻工艺，将螺旋臂加载在介质支架上。为了提高增益，在低频辐射臂顶端加载新型短路结构，引入四条寄生臂形成耦合谐振，拓展低频段的工作带宽。测试结果表明，在1.175～1.267 GHz、1.517～1.624 GHz频段内增益大于1 dBi，两个频段内的最高增益分别为4.09 dBi、2.8 dBi，高低频段3 dB轴比波束宽度分别为190°、195°。由此得知该天线能覆盖四大卫星导航系统所有频点，满足GNSS精确测量设备的需求。

关键词：螺旋天线;导航系统;宽带;短路结构;寄生

中图分类号：TN823+.31        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）01-0048-05

Abstract： In this paper， a dual-frequency wideband multi-arm antenna is designed. The helical arm is loaded on the dielectric support by using the laser engraving process with high precision and low cost. In order to improve the radiation gain of the antenna， a novel short-circuit structure is loaded on the top of the low-frequency radiating arms. Four parasitic arms are introduced to form a coupling resonance and expand the working bandwidth of low frequency band. The test results show that the gains are greater than 1 dBi in the frequency bands of 1.175～1.267 Ghz and 1.517～1.624 Ghz， and the peak gains reach 4.09 dBi and 2.8 dbi， respectively. The 3 dB axial ratio beamwidths of the high and low frequency band reach 190° and 195°， respectively. Therefore， it is known that the antenna can cover all frequency points of the four satellite navigation systems and meet the requirements of GNSS accurate measurement equipment.

Keywords： spiral antenna; navigation system; windband; short-circuit structure; parasitic

0  引  言

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System， GNSS）在精准定位服务领域应用范围极其广泛。随着高度集成化、智能化地面终端系统的飞速发展，在测绘、导航、定位、授时等高精度卫星导航定位产业中，对高精度导航定位天线的性能提出更高的要求。相较于早期模式单一的卫星导航系统，多模多频联合导航具有覆盖范围广、导航精度高、运行稳定等优点，成为卫星导航未来发展方向。因此，能够兼容四大卫星导航系统、宽频带、高性能便携式GNSS天线是目前行业研究的热点课题。多频多模多臂柱状螺旋天线具有半球覆盖波束较宽、广角圆极化优良、结构设计紧凑等优点，在各类移动式、便携式终端设备中得到广泛的应用[1]。

为了实现多频多模多臂柱状螺旋天线在GNSS频段的应用，国内外很多学者提出了设计方案[1-11]，文献[1]运用曲折线技术开发出可工作于GNSS全频段的双频四臂螺旋天线，但这种天线的尺寸较大，直径为25 mm，高度为140 mm。为了减小天线的尺寸，文献[2]提出采用相对介电常数为40的陶瓷材料，使得天线纵向尺寸大幅度减小，只有传统空气加载的四臂螺旋天线体积的2.7%，但采用高介电常数的材料会带来很高的介质损耗，必将增加加工成本。文献[3]设计了一种缝隙螺旋天线，整个天线可以安置在一个完整的印刷电路板上，所以易于加工、成本较低，但缺点是带宽较窄而且增益较低。文献[4]通过电容加载，开发出直径33 mm，长度仅为68 mm的折叠四臂螺旋天线，它的工作频段為1 244～1 282 MHz、1 524～1 588 MHz;文献[5]采用三条互相平行的螺旋臂，设计并实现了直径25.65 mm，高度26.67 mm的小型化四臂螺旋天线，其高低频阻抗带宽分别为60 MHz和30 MHz，虽然上述两种天线在一定程度上实现了小型化设计，但这两种天线的工作带宽都比较窄，不能完全覆盖GNSS全频段全星座工作频点，无法满足多系统多频联合定位需求。文献[6]采用短路寄生臂与主螺旋臂短接的方法，通过调整主螺旋臂宽度以及它与短路寄生臂之间的缝隙，使得天线阻抗带宽达到30%，但天线体积依旧比较大，不能满足终端高度集成化需求。文献[7]提出一种天线直径24 mm、高度44.1 mm的小型化四臂螺旋GNSS天线，但其工作带宽较窄，增益较低。文献[8]提出通过一种新型寄生臂的方式设计开发直径12.8 mm、高度40 mm的小型化四臂螺旋GNSS天线，但其高低频最大增益仅为1.52 dBi，最大辐射增益没有明显优势。因此，设计一款增益较高、带宽较大、尺寸较小、成本较低的双频多臂螺旋天线将是一项极具挑战性的工作。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全频段的高精度双频多臂柱状螺旋天线，并且在一定程度内缩小了天线尺寸，实现了天线的宽频带紧凑式设计。

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λ/4的M倍（M为整数）螺旋臂绕制而成[9-15]。各个螺旋臂馈电端的电流幅度相等，相位依次相差90°。当M为奇数时，旋臂终端开路;当M为偶数时，旋臂终端短路。

结构参数可由下式确定：

其中，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）。

1.2  结构设计

本文设计的螺旋天线结构模型如图1、图2所示，与一般的多臂柱状螺旋天线不同，该天线上部分采用圆台中空结构介质支架，下部分采用圆柱中空结构介质支架，介质支架基材是采用介电常数为2.65、损耗正切角为0.000 4的低损耗塑料介质材料加工而成的。介质支架厚度为0.9 mm，圆台体上截面、下截面直径和高度分别为23.6 mm、29.6 mm、 35 mm，圆柱体直径和高度分别为29.6 mm、24 mm。满足λ/4电长度的高频和λ/2电长度的低频构成一组双频主辐射臂单元，一共有四组分别缠绕在中空结构介质支架上，靠近每组主辐射臂的低频枝节分别等间距寄生一组开路臂并且同样缠绕在中空结构介质支架上，构成GNSS天线的双频辐射部分，高频主辐射臂与低频主辐射臂在底部由接地枝节相连，形成PIFA电路结构，进而实现双频信号接收。为了提高天线低频辐射臂辐射增益和增益带宽，主辐射臂低频枝节电长度设计为λ/2，并在顶部使用特殊短路枝节进行连接。另外，将寄生臂紧贴着低频主辐射臂缠绕，通过耦合可产生一耦合谐振峰，从而进一步实现低频段的宽带化设计。

为提高天线电气相位中心精度和稳定性，使天线具备更高的定位精度，采用轴向对称的四馈点馈电形式，通过印制在FR4电路板上的一分四移相馈电网络实现合路，每个端口的幅值相等，相邻馈电点相位差值均为90°，如图3所示。

2  仿真与实测分析

本文借助天线专用电磁仿真软件对天线进行仿真及性能指标优化设计，并根据仿真模型优化的参数结果，对天线进行实物加工与调试，天线实物如图4、图5所示。使用矢量网络分析仪E5071C对天线进行驻波比测试，得到天线驻波比随频率变化而变化的曲线，如图6所示。在测试频段1.0～1.8 GHz内，实测天线驻波比均小于2 dB，说明天线具有良好的阻抗匹配特性，辐射效率较高且能够最大限度地将能量传输到天线辐射出去。

如图7所示为天线仿真与实测轴比随频率变化曲线。由图7可知，天线仿真轴比曲线与实测轴比曲线基本吻合，但由于实物样品制作过程中存在一定的偏差，再加上实际馈电网络产生的相位误差，所以仿真轴比曲线与实测轴比曲线不完全重合。在整个频段（1.15～1.35 GHz和1.55～1.65 GHz）中，天线仿真轴比均低于0.5 dB，天线实测轴比均低于1.3 dB。这说明天线具有优良的圆极化性能，满足优异圆极化天线抗干扰设计要求，保障天线低仰角卫星信号接收质量更加优异，系统定位精度更加稳定。

在微波暗室测量系统中，对本文所加工天线实物样机进行增益测试，如图8所示为天线仿真与实测增益随频率变化的曲线（theta=0°，phi=0°）。由图8可知，天线实测增益与仿真增益曲线基本吻合。天线仿真的高频和低频最大增益分别为3.08 dBi、4.56 dBi，大于1 dBi的增益频带范围分别为1.168～1.271 GHz和1.508～1.601 GHz。实测的天线高频段和低频段内最大辐射增益分别为2.8 dBi和4.09 dBi，大于1 dBi的增益频带范围分别为1.175～1.267 GHz和1.517～1.624 GHz，进而得出本文天线在宽频带内具有较高的辐射增益，能够很好地满足全频段卫星导航定位天线的设计要求。

如圖9、图10所示为天线在1.227 GHz和1.575 GHz频段的仿真与实测增益方向图。从图可以看出，仿真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不完全符合理想情况，实测方向曲线没有仿真曲线平滑。在主辐射方向上，右旋圆极化增益比交叉极化增益均高出20 dBi以上，这说明各个端口的幅值、相位受影响程度在误差范围之内，天线具有良好的圆极化性能。

如图11、图12所示为天线在1.227 GHz、1.575 GHz频段的仿真与实测轴比随角度变化曲线，天线高频仿真与实测的3 dB轴比波束宽度分别为112°（-56°～56°）和190°（-76°～114°），低频仿真与实测的3 dB轴比波束宽度分别为129°（-64°～65°）和195°（-100°～95°）。综上所述，天线实物具有良好的广角轴比波束宽度和圆极化特性。

为明确本文所设计天线与其他天线的性能差异，给出了如表1所示的天线性能参数对比表。由表1可知，本文天线的阻抗带宽较宽，其他参考天线的阻抗带宽都较窄。本文天线3 dB轴比波束宽度比其他参考天线都要宽，说明本文天线具有出色的圆极化特性和较强的低仰角搜星能力，从而保障卫星导航定位终端在各种环境下都能接收到更多的卫星信号并进行定位解算，这样便可使得定位解算精度和稳定性得到大幅提升。此外，本文天线比其他参考天线的尺寸要小，便于在各种高度集成式（便携式）小型导航定位终端平台上使用。

3  结  论

本文设计了一款新型高精度宽频带双频四臂螺旋GNSS测量天线。天线采用上部分圆台下部分圆柱组合结构的空心介质作为天线介质加载和支撑结构体，采用短路四轴对称螺旋结构，高低频主辐射臂底部通过接地微带线相连接，构成PIFA结构，实现双频段信号接收。为了提高低频天线的增益和增益带宽，引入四条寄生臂紧贴于低频螺旋臂。测试结果表明，该螺旋天线具有工作频带宽、增益高、圆极化特性好、低仰角搜星能力强等优点，在接收频段（1.175～1.267 GHz、1.517～1.624 GHz）内增益均大于1 dBi，高低频段3 dB轴比波束带宽分别为190°和195°。因此，本文所设计天线能够很好地满足四大导航系统卫星信号的接收应用需求，可以广泛应用于高精度卫星导航定位终端产品中。

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作者简介：李晓鹏（1987—），男，汉族，陕西渭南人，工程师，硕士，研究方向：北斗导航定位终端核心部件研制。