用于北斗卫星定位的渐变缝隙螺旋阵列天线

林斌

摘要：对传统的微带缝隙天线进行了大胆而富有创新性的改进，将折线螺旋结构和渐变矩形贴片结构相结合，设计了渐变贴片折线螺旋结构，对其进行取反操作后得到了全新的渐变缝隙螺旋结构，提高了天线的带宽。针对北斗卫星导航系统对卫星定位天线的性能要求，使用渐变缝隙螺旋结构作为阵元天线，多个阵元天线按照直线结构排列组成渐变缝隙螺旋阵列天线。实测结果显示，该款天线可以完全覆盖北斗卫星导航系统工作频段，定向工作性能好，是性能优异的北斗卫星定位天线。

关键词：北斗卫星定位；微带缝隙天线；折线螺旋天线；渐变缝隙螺旋结构；直线阵列天线

*基金项目：

1）福建省自然科学基金项目，项目编号2020J01039；

2）漳州市科技计划项目，项目编号ZZ2020J04；

3）福建省高校杰出青年科研人才培育计划项目，项目编号闽教科[2017]52号

卫星定位系统是20世纪末和21世纪初最重要的科研成果之一，为导航定位、交通运输、精确授时提供了技术支持。在定位系统中，定位卫星发送定位信号，接收机接收信号并给与反馈，通过记录信号的传播时间，可以计算出卫星与地面接收机之间的距离。综合多个卫星在轨道中的位置以及它们与地面接收机的距离，就可以准确定位地面接收机所在位置的经度、纬度和高度，实现高精度定位。卫星定位系统受地面气象条件的影响较小，可以全天候全自动完成测量。世界主要国家都在卫星定位系统的研发上投入了巨大的人力物力，目前已有一批较为成熟的卫星定位系统投入使用，全世界最成熟、最主要的卫星定位系统是美国研发的全球定位系统和中国研发的北斗卫星导航系统[1-4]。

北斗卫星导航系统由中国自主设计和研发，具有完全的知识产权，目前已在多个领域得到广泛应用[5-10]。卫星定位终端天线是北斗卫星导航系统的重要组成部分，卫星定位终端天线的性能对北斗卫星导航系统的整体性能有着决定性的关键作用。卫星定位终端天线必须完全覆盖北斗卫星导航系统的（1.204～1.564） GHz 工作频段，能够定向辐射且波瓣宽度小、副瓣和后瓣辐射较弱，满足小体积和高辐射强度要求。

1渐变缝隙螺旋结构简介

微带缝隙天线在目前应用最为广泛、技术最为成熟的一类射频天线，具有工作频段稳定可靠、辐射强度较高等多种优点。传统的微带缝隙天线是窄带天线，相对工作带宽通常小于5%，需要进行改进设计才能拥有一定的宽频带工作能力[11-16]。

9个正方形金属辐射贴片，依照折线螺旋的规律，从大到小排列，可以得到渐变贴片折线螺旋结构。9个正方形金属辐射贴片从馈电点旋转到螺旋辐射区中心，每片辐射贴片的边长逐渐减小。对渐变贴片折线螺旋結构进行取反操作后可得到渐变缝隙螺旋结构，如图1所示。渐变缝隙螺旋结构用于天线设计时，可以利用多个尺寸不同的辐射缝隙的辐射频率叠加效应，实现对较宽工作频段的覆盖。

2天线结构设计

天线使用 FR4介质基板，它的介电常数为6，尺寸为55 mm ×15 mm ×1 mm。天线背面为全金属接地结构。天线辐射贴片如图2所示，它由3个渐变缝隙螺旋阵元天线，按照直线结构排列组成的渐变缝隙螺旋阵列天线辐射贴片。

每个渐变缝隙螺旋阵元天线的尺寸是15 mm ×15 mm，分为3行3列共9个尺寸为5 mm ×5 mm 的正方形区域；在每个正方形区域的中心位置开出1个正方形辐射缝隙，从右上角的正方形区域开始，按照逆时针螺旋顺序，每个正方形辐射缝隙的边长逐渐减小，9个正方形辐射缝隙的边长依次为4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 mm，每两个正方形辐射缝隙之间有直线缝隙相连。3个阵元天线按照直线结构排列组成渐变缝隙螺旋阵列天线，可以增强天线整体的辐射强度，并有效增加天线辐射的方向性。

3天线辐射性能测试

我们使用腐蚀工艺制板法制作了天线样品，对天线的回波损耗性能和辐射方向性能进行了实际测试，结果如图3、图4、图5所示。

该款天线覆盖了（1.108～1.862） GHz 的频段，天线带宽为0.754 GHz，天线谐振频率为1.41 GHz，回波损耗最小值为-46.91 dB 。天线实现了对北斗卫星导航系统的1.204～1.564 GHz 工作频段的完全覆盖。该款天线的方向图的主瓣最大增益为13.23 dB，E面主瓣宽度为84°，E 面副瓣电平为-11.21 dB，E 面前后比为10.71 dB； H 面主瓣宽度为80°，H 面副瓣电平为-10.41 dB，H 面前后比为9.76 dB 。该款天线具有优异的定向辐射能力。

4结束语

本文针对传统的微带缝隙天线工作带宽不足的缺点，采用融合设计的思路，将折线螺旋结构和渐变矩形贴片结构相结合，提出了渐变缝隙螺旋结构并将其应用于北斗卫星定位天线的设计。渐变缝隙螺旋结构使用9个尺寸依次减小的正方形辐射缝隙按照折线螺旋规律串接组成，9个缝隙的辐射相叠加，保证了天线具有较大的工作带宽。多个渐变缝隙螺旋天线按照直线结构排列组成渐变缝隙螺旋阵列天线，同时增加了天线的辐射强度和辐射方向性。实际测试结果显示，该款天线能够完全覆盖北斗卫星导航系统的（1.204～1.564） GHz 工作频段，辐射强度高且有较大性能冗余，能够定向辐射且波瓣宽度较小、副瓣电平较低、前后比较高，有望作为一款高性能卫星定位天线得到大规模应用。

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