謝子儀 陳萬通 韓夢凡 申奧 葉夢凡

（中國民航大學電子信息與自動化學院，天津 300300）

全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)近幾十年來不斷進步和完善，其相較于過去的無線電定位系統(tǒng)，大大提高了定位的精確性以及工作效率。在全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)中，我國自主研發(fā)的定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有優(yōu)越的性能，不僅為全球范圍內(nèi)的用戶提供高精度的定位導航服務，同時在社會生產(chǎn)生活的多個方面都發(fā)揮了重要的作用。

接收天線則是衛(wèi)星導航系統(tǒng)的關鍵器件。接收天線將接收到的電磁波信號轉化成電信號，便于后續(xù)的分析計算。接收機天線需要滿足以下要求：第一，天線必須要有能夠接收上半球空間來波，尤其是接收俯仰角較低的電磁波的能力，即天線要具有良好的全向性。第二，接收天線為圓極化輻射模式。相比于線極化天線受到約束的方向性能，圓極化天線可以接收任意方向上的電磁波。同時，與線極化波相比，圓極化波可有效抵抗雨霧干擾和減少多徑反射[1]。

在衛(wèi)星導航領域，傳統(tǒng)天線的尺寸和體積都比較大，為滿足實際生產(chǎn)生活的需要，對于天線的要求越來越嚴格，需要天線體積小，重量輕，而且具有良好的圓極化與寬頻帶電氣性能[2]。四臂螺旋天線結構的高度對稱性，使其具有更加優(yōu)良的圓極化特性。它的輻射方向圖可以覆蓋上半球空間，在低仰角也有著良好的輻射性能。此外，四臂螺旋天線的結構可以用柔性材料印刷制成，這種材料更易加工且加工精度高，制成的天線體積更小，在工程上受到更多的重視[3]。綜上，四臂螺旋天線擁有著很高的實用價值，是值得研究的一種天線。本文著重研究四臂螺旋天線的結構和參數(shù)。

1 天線的基本理論

四臂螺旋天線可以看作是由四條繞著某一旋轉軸螺旋上升到同一高度的螺旋臂組合而成的結構。每根單獨的螺旋臂長度均為Mλ/4，（M是正整數(shù)，λ 是工作波長）。為了保證天線的正常工作，應該對天線四個饋點進行幅度相同，相位相差90°的饋電[4]。

決定天線的結構參數(shù)的公式為：

公式（1）中Lax為螺旋臂的軸向長度（即高度）；N 為螺旋臂繞行的圈數(shù)；Lele是每根螺旋臂的長度，都是λM/4，A 與M之間存在著：當M為奇數(shù)時，A=1；M為偶數(shù)時，A=2 的關系；r0是螺旋臂繞軸旋轉的螺旋半徑。每一個參數(shù)都會對四臂螺旋天線構造產(chǎn)生影響，也會對四臂螺旋天線輻射特性有影響[4]。

2 天線的設計

2.1 設計指標

天線結構：四臂螺旋結構；

支持衛(wèi)星信號：B1（1561.098MHz）；

最大增益：≥2.5dB；

極化方式：圓極化；

天線軸比：≤1.5dB；

水平面覆蓋角度：360°。

2.2 基本設計

本次天線的結構設計選用北斗2 號衛(wèi)星B1（1561.098MHz）頻段。測量四臂螺旋天線性能好壞的指標中重要的一項便是觀察其輻射方向圖是否為心形[4]。在公式（1）的限制下，考慮到保證天線的性能，最終選擇0.27 倍的工作波長作為天線的螺旋半徑，四分之三倍波長的天線長度環(huán)繞圓柱體載體四分之三圈。通過公式（1）計算，最終得到天線尺寸如下：w=49.3mm，W=51.3mm，H=2mm，H1=48.75mm。

圖1 四臂螺旋天線模型整體結構圖

圖2 四臂螺旋天線單根螺旋臂結構圖

在對模型材料進行選擇時，印刷天線臂的圓柱體載體外表面材料應當介電性質(zhì)良好，且有適應溫度變化而不改變性能的能力。在符合介電常數(shù)要求下，選擇了造價適中的聚酰亞胺作為圓柱體外表面的材料。將導電材料混合在糊狀油墨中，采用RFID天線印刷工藝，將導電油墨通過輪轉網(wǎng)版的方式印刷在基材上，形成可以導電的電路。成型后，經(jīng)過UV＆烘干并固定住天線圖形，對天線功能進行讀寫檢測，檢測無誤后才能成品。這樣做成的天線同樣有傳統(tǒng)纏繞式天線應有的接收和發(fā)射功能[6]。

3 HFSS 仿真

3.1 仿真參數(shù)設置

3.1.1 邊界條件的設置?，F(xiàn)實當中螺旋體是一個立體結構，為了方便仿真計算，在HFSS 中用平面結構來等效螺旋線，將螺旋線設置成金屬面以達到理想的仿真效果。選擇四條螺旋線，分別將其設置為Perfect E，達到仿真所需要的金屬結構效果。

3.1.2 輻射表面的設置。一般地，輻射邊界大小原則上不能小于距離天線四分之一波長范圍，根據(jù)計算設置了一個進行輻射的輻射圓柱體airbox，其高為147.75mm，半徑為73.15mm。在建立輻射圓柱體后，對其進行輻射面的添加，將其設置為Rad1。

3.1.3 饋點的設置。為了實現(xiàn)天線的圓極化輻射特性，給4根臂的饋電的端口的電流幅度應該相等，相位應該兩兩相差90°。在四臂螺旋天線底部設置四個點，分別對每一條螺旋臂供電。

3.2 仿真

天線仿真主要關注的是幾個結果：回波損耗S11，天線方向圖，還有軸比。

對仿真結果進行分析，觀察圖3 回波損耗圖，其諧振頻率點在1.54GHz 附近，但是在1.56GHz±0.004GHz 沒有達到-10dB，即工作帶寬在1.56GHz 沒有達到預期的效果，因此需要進行更精確的優(yōu)化仿真。

圖3 回波損耗S11 圖

下面對針對仿真結果進行優(yōu)化。在公式（1）不改變的前提下，可以修改天線螺旋臂繞軸旋轉的高度H 使得整個螺旋臂的軸向高度產(chǎn)生變化，從而使得四臂螺旋天線能在設計指標上正常工作。將線高度設置為一個變量H，添加了變量H 后，輻射體半徑不變，高度變?yōu)?45.75mm+H，天線繞軸旋轉線高度、天線貼合圓柱體等均會雖發(fā)生變化。相關的模型重置完成后，在目標頻率中設置指標要求進行優(yōu)化。對1.56GHz 處的回波損耗進行設置，將其降為-10dB 以下以滿足設計需求。重置優(yōu)化完成后，再次對天線進行仿真。仿真結果如圖4～6 所示。

圖4 優(yōu)化后回波損耗

圖5 優(yōu)化后軸比

圖6 優(yōu)化后方向圖

對優(yōu)化后結果進行分析，優(yōu)化后回波損耗達到了設計指標，雖然諧振頻率仍然在1.54GHz 附近，但是整個工作帶寬進行了擴展，在1.56GHz 處達到了-10dB 的增益，達到了指標要求。同時，天線軸比最小值在0.1dB 附近，與優(yōu)化前無明顯差別，同樣達到設計指標。此外，天線方向圖最大增益達到了5.8dB，且在全部方向上都能達到增益效果且符合心形方向圖的要求，總體而言，完成了預期的設計指標。

4 結論

近年來，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的進步與發(fā)展，在一定程度上便利了我們的生活。而這有賴于對天線的不斷研究與新的探索發(fā)現(xiàn)。本文設計了一種可以基于北斗2 號衛(wèi)星B1 頻段工作的，性能優(yōu)良的右旋圓極化四臂螺旋接收天線?；夭〒p耗在工作帶寬內(nèi)達到-10dB，最小軸比為0.1dB 左右，在整個方向上都具有一定增益，同時最大增益達到了5.8dB，仿真結果達到了預期目標。