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一種小型高精度四臂螺旋天線的設(shè)計

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本文通過設(shè)計研究以空氣作為介質(zhì)，四軸對稱，耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂的四臂螺旋天線，經(jīng)過計算仿真，結(jié)果表明，這種耦合方式在一定程度上擴展了天線的阻抗帶寬，使得天線獲得了很寬的頻帶，在L1頻段具有150MHz的帶寬，使得天線能實現(xiàn)GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛(wèi)星的接收，同時，這種天線有較寬的軸比帶寬，實現(xiàn)了天線良好的圓極化性能和較強的抑制多路徑效應(yīng)的能力，并且有較高的增益。這種天線體積小，重量輕，易安裝，為高精度無人機行業(yè)提供重要的研究價值。

四臂螺旋；寬頻帶；高精度；無人機；軸比；天線

1.前言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）具有全時空、全天候、高精度、連續(xù)實時地提供導(dǎo)航、定位和授時的特點，因此在經(jīng)濟發(fā)展、科學(xué)研究、災(zāi)害防控以及軍事領(lǐng)域起著越來越重要的作用［1， 2， 3］。近年來，高精度無人機和手持高精度移動測量設(shè)備發(fā)展越來越快，而這些設(shè)備需要帶寬寬，精度高，搜星能力強的天線來實現(xiàn)高精度測量的功能。而傳統(tǒng)的貼片微帶天線由于體積大，質(zhì)量重，使用安裝復(fù)雜，很難滿足移動高精度測量設(shè)備的需求。然而，螺旋天線具有易加工，性能好的優(yōu)點，越來越受到關(guān)注，kiglgas最先分析了螺旋天線的性能［4］。但是傳統(tǒng)的螺旋天線是由銅線或者其他金屬繞制而成的。加工工藝復(fù)雜，帶寬很窄，天線的性能不能保證，而且一致性差［5， 6， 7］?；谏鲜隹紤]，本文提出一款新型空氣作為介質(zhì)，四軸對稱，耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂的四臂螺旋天線的設(shè)計，能滿足GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛(wèi)星的接收，并且具有較寬的增益帶寬和軸比帶寬，有較大的抗多路徑能力，為高精度無人機行業(yè)和手持高精度移動測量行業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

2.天線設(shè)計

天線采用四軸對稱四臂螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，以空氣作為介質(zhì)。將螺旋臂印制在柔軟的基板上，設(shè)計特定的圓柱支架，將軟性基板纏繞在支架上，形成四臂螺旋天線。每根臂的長度為四分之一波長的整數(shù)倍，能產(chǎn)生接收GPS：L1、GLONASS：L1、北斗：B1、GALILEO：L1信號，每個螺旋臂的饋電電流相等，相位依次相差90°，分別為0°，90°，180°，270°。天線螺旋臂的大小可有下式確定：

其中：L為螺旋天線的高度，L0為螺旋臂的長度，D為螺旋天線的纏繞直徑，N為為螺旋圈的圈數(shù)。天線的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線的展開圖如圖2所示。

圖1　螺旋天線整體結(jié)構(gòu)圖

圖2　螺旋天線展開圖

天線的輻射單元主要由兩部分組成，主輻射臂和耦合輻射臂。主輻射臂是天線的輻射主體，通過設(shè)計其長度為四分之一波長的整數(shù)倍，使得天線在GPS的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振，能接收到GPS衛(wèi)星信號。然而由于其帶來的感性電抗大使得天線的帶寬變得很窄，無法滿足三星系統(tǒng)GPS、GLONASS、北斗衛(wèi)星的接收。通過增加耦合輻射臂，可以使得天線的阻抗帶寬得到展寬，增大天線的接收頻率范圍。通過計算所得，天線的纏繞直徑D為20mm，高度L為35mm。

3.仿真結(jié)果

通過理論計算和HFSS高頻電磁軟件仿真，在每個輻射體的底部作為天線的饋電點，均勻?qū)ΨQ的四饋點饋電，使天線具有穩(wěn)定的相位中心，相位中心偏差減小，使得天線具有較高的定位精度。因為每個饋電點的相位依次為0°，90°，180°，270°，為了使得形成右旋圓極化波，螺旋天線的纏繞方向與最大方向成左手關(guān)系，如圖1所示。在實際電路中，通過在電路板上加載移相電路，可使得每個饋點的相位合成同相位信號。

圖3　天線S11參數(shù)

圖4　天線駐波比參數(shù)

圖3是天線在L1頻段內(nèi)的S11參數(shù)，圖4是天線在L1頻段內(nèi)的駐波比參數(shù)，從圖3中可以看出，天線在1.53GHz到1.68GHz頻率范圍內(nèi)S11參數(shù)小于10，從圖4中可以看出，天線從1.53GHz到1.68GHz頻率范圍內(nèi)駐波比參數(shù)小于2，說明了四臂螺旋結(jié)構(gòu)拓展了阻抗帶寬，使天線能實現(xiàn)GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星系統(tǒng)衛(wèi)星的接收。

圖5　天線增益性能

圖6　天線軸比性能

圖5是天線在L1頻段內(nèi)的增益，從圖中可以看出，天線在L1頻段內(nèi)，其頂點位置的增益為6.3dBi，低仰角±90度位置的增益為-3.2 dBi。本天線的耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂，能使得天線的電磁能量得到良好輻射，提升了天線的總體增益，并且也能保證了天線在低仰角有較高的增益，滿足了高精度無人機接收的性能要求。

圖6是天線在L1頻段時的軸比性能，圖中表明，天線從仰角-62o到65o之間軸比低于3dB，說明天線在此角度內(nèi)軸比性能很好，較寬的軸比帶寬，很好地實現(xiàn)了圓極化性能。四臂螺旋單元通過與最大輻射方向成左手關(guān)系，改善了天線的波束寬度，使得天線輻射單元有較寬的軸比帶寬，說明天線有很強的抑制多路徑效應(yīng)的能力。

4.結(jié)論

本天線采用四軸對稱四臂螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計，以空氣作為介質(zhì)。將螺旋臂印制在柔軟的基板上，設(shè)計特定的圓柱支架，將軟性基板纏繞在支架上，形成四臂螺旋天線。L1頻段具有150MHz的帶寬，使得天線能實現(xiàn)GPS：L1，GLONASS：L1，北斗：B1和Galileo：L1多星座衛(wèi)星的接收。通過耦合輻射臂加載底部耦合主輻射臂，能使得天線的電磁能量得到良好輻射，提升了天線的總體增益，很好地實現(xiàn)了圓極化性能，同時也有較寬的軸比帶寬，能使得天線在遮擋、多路徑滿足了高精度無人機接收的性能要求。

［1］付世強，房少軍，王鐘葆.多模衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的寬帶天線［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，40（11）：1811-1814.

［2］趙麗娟，邵曉亮，鄒永慶，吳先良，楊代明.一種新型寬帶圓極化微帶天線的設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（24）：91-93.

［3］高陽，董樹榮，王德苗.GPS天線技術(shù)及其發(fā)展［J］.無線通信技術(shù)，2008（4）：34-39.

［4］Robert A.Sainati，Join J.Groppelli，Ralph C.Olesen，Andrew J.Stanland.A Band-Switched Resonant Quadrifilar Helix［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982（9），AP-30（5）：1010-1013.

［5］Waqar A.Shah，Sultan Shoaib， Qamarul Islam， Muhammad Amin. Wide Band Side Fed Bifilar Helix Antenna Caged In Passive Quadrifilar Helix Structure［C］.Radio and Wireless Symposium，2010，IEEE，2010：597-600.

［6］Chen Chen，F(xiàn)ang Yang，Chenjiang Guo，Jiadong Xu. Analysis and Design of a satellite-borne wide-beam quardifilar helix antenna［C］. Microwav Coference，2008.APMC 2008.Asia-Pacific，2008（10）：1-4.

［7］M.Hosseini，M.Hakkak，P.Rezaei.Design of a Dual-Band Quadrifilar Helix Antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2005（4）：39-42.