謝子儀 陳萬通 韓夢凡 申奧 葉夢凡

（中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300）

全球衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)中，我國自主研發(fā)的定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航服務(wù)，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(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。接收天線將接收到的電磁波信號轉(zhuǎn)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(dǎo)航領(lǐng)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(yán)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸螺旋上升到同一高度的螺旋臂組合而成的結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(jié)構(gòu)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(dāng)M為奇數(shù)時，A=1；M為偶數(shù)時，A=2 的關(guān)系；r0是螺旋臂繞軸旋轉(zhuǎn)的螺旋半徑。每一個參數(shù)都會對四臂螺旋天線構(gòu)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(shè)計

2.1 設(shè)計指標(biāo)

天線結(jié)構(gòu)：四臂螺旋結(jié)構(gòu)；

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(shè)計

本次天線的結(jié)構(gòu)設(shè)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(biāo)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(jié)構(gòu)圖

圖2 四臂螺旋天線單根螺旋臂結(jié)構(gòu)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(yīng)當(dāng)介電性質(zhì)良好，且有適應(yīng)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(dǎo)電材料混合在糊狀油墨中，采用RFID天線印刷工藝，將導(dǎo)電油墨通過輪轉(zhuǎn)網(wǎng)版的方式印刷在基材上，形成可以導(dǎo)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(yīng)有的接收和發(fā)射功能[6]。

3 HFSS 仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

3.1.1 邊界條件的設(shè)置?，F(xiàn)實當(dāng)中螺旋體是一個立體結(jié)構(gòu)，為了方便仿真計算，在HFSS 中用平面結(jié)構(gòu)來等效螺旋線，將螺旋線設(shè)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(shè)置為Perfect E，達到仿真所需要的金屬結(jié)構(gòu)效果。

3.1.2 輻射表面的設(shè)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(shè)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(shè)置為Rad1。

3.1.3 饋點的設(shè)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(yīng)該相等，相位應(yīng)該兩兩相差90°。在四臂螺旋天線底部設(shè)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(guān)注的是幾個結(jié)果：回波損耗S11，天線方向圖，還有軸比。

對仿真結(jié)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(yù)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(jié)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(zhuǎn)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(shè)計指標(biāo)上正常工作。將線高度設(shè)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(zhuǎn)線高度、天線貼合圓柱體等均會雖發(fā)生變化。相關(guān)的模型重置完成后，在目標(biāo)頻率中設(shè)置指標(biāo)要求進行優(yōu)化。對1.56GHz 處的回波損耗進行設(shè)置，將其降為-10dB 以下以滿足設(shè)計需求。重置優(yōu)化完成后，再次對天線進行仿真。仿真結(jié)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(jié)果進行分析，優(yōu)化后回波損耗達到了設(shè)計指標(biāo)，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(biāo)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(shè)計指標(biāo)。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(yù)期的設(shè)計指標(biāo)。

4 結(jié)論

近年來，衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)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(jié)果達到了預(yù)期目標(biāo)。