一種多模印刷四臂螺旋導(dǎo)航天線的設(shè)計

蔣 凱，周錦文，鄭會利

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

近年來，全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONESS)、伽利略定位系統(tǒng)(GALILEO)、中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷發(fā)展成熟，但因為空間信道多徑信號干擾、射頻器件的電磁干擾等外部影響，單個導(dǎo)航系統(tǒng)的使用不可避免地會存在一定誤差。為了提高導(dǎo)航精度，容錯性高的多系統(tǒng)組合應(yīng)用勢在必行，終端導(dǎo)航天線的多模兼容也成為設(shè)計的重點[1]。

四臂螺旋天線因心形方向圖和良好的圓極化特性被廣泛應(yīng)用于各種導(dǎo)航終端設(shè)備。而四臂螺旋天線用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)設(shè)計的關(guān)鍵在于工作帶寬的拓展。最常見的方法就是通過添加寄生臂來引入新的諧振點，但天線受輻射模式限制而繞軸半徑比較小，添加了寄生臂之后結(jié)構(gòu)十分緊湊，可調(diào)節(jié)的空間較小。為了提高多頻四臂螺旋天線的泛用性，本文以印刷四臂螺旋天線為基礎(chǔ)，詳細(xì)介紹了一種新型雙頻四臂螺旋天線的設(shè)計方法，工作頻段覆蓋現(xiàn)存衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全部頻率(1 160～1 280 MHz,1 559～1 616 MHz)，同時考慮到天線載體的不穩(wěn)定性、干擾信號等外部干擾因素，對波束寬度和低仰角增益提出了更高的要求。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

此次設(shè)計的多頻印刷四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，與傳統(tǒng)多臂技術(shù)不同，該天線通過在螺旋臂的末端開出數(shù)個不同深寬的槽來實現(xiàn)多頻工作。確定主諧振頻點后，通過調(diào)節(jié)螺旋臂凹槽的深度以及末端短臂的長度，就可以實現(xiàn)天線的多頻工作，不存在調(diào)節(jié)空間小、耦合過強等問題。以Ansoft HFSS 18為平臺進行建模仿真。

圖1 多頻四臂螺旋天線模型圖和螺旋臂示意圖

雙頻四臂螺旋天線最終實現(xiàn)的工作頻段為1.16～1.28 GHz和1.53～1.63 GHz，能夠覆蓋全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的全部頻段，頻段如圖2所示。圖3給出了此天線的3 dB軸比帶寬，在工作頻段內(nèi)，天線具有優(yōu)秀的圓極化特性。

圖2 反射系數(shù)S11

圖3 天線的軸比帶寬

圖4分別列出了其中3個導(dǎo)航頻點處的方向圖。可以看出在低頻段內(nèi)表現(xiàn)優(yōu)秀，具有120°左右的寬波束和-0.5 dB以上的10°仰角增益。但在高頻處的方向圖前后比較小，對來自后向的多徑干擾信號的抵抗能力較弱。

圖4 3個參考導(dǎo)航頻點處的方向圖

2 多徑效應(yīng)

現(xiàn)代化環(huán)境的多樣性也使得電磁波信號的傳播路徑變得更復(fù)雜，多徑效應(yīng)的反射路徑也存在各種情況，如圖5所示。以直達(dá)路徑a和地面反射路徑b為例，簡單說明一下信號的路徑延遲和相位延遲。

圖5 多徑干擾信號

信號路徑如圖5(b)所示，天線接收到衛(wèi)星直達(dá)信號A和地面反射信號A′，顯然兩信號之間存在路徑差，稱之為路徑延遲ΔS，有：

ΔS=GR-OR=GR(1-cos(2θ))=

(1)

式中:H為天線架設(shè)高度;θ為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的仰角。

而路徑延遲的存在會導(dǎo)致相位的變化，即相位延遲為：

(2)

式中：λ為載波波長。

反射過程中，大氣中的電磁波傳播呈現(xiàn)指數(shù)衰減特性，衰減方程為：

I=I0e-Dβ

(3)

式中：β為衰減系數(shù)；D為光程。

從式(3)中也能看出，天線和反射物之間的距離影響信號的衰減大小，β取0.23時，50 m的距離就會使信號衰減100 dB。

雖然扼流圈能夠有效抑制多徑效應(yīng)，但其一般結(jié)構(gòu)為3～5圈、深度為λ/4的同心波紋，整體結(jié)構(gòu)過大。若在扼流環(huán)內(nèi)加載高介電常數(shù)介質(zhì)減小尺寸，會引入更大的損耗[2]。最終選用加載交叉板反射地面方法來抑制多徑效應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)面影響[3]，加載結(jié)構(gòu)的天線模型見圖6。

圖6 加載反射板的四臂螺旋天線

由電磁場基本理論可知，金屬表面的切向電場為零。當(dāng)某一平面波平行于理想金屬表面入射時，平行電場分量會被削減至零，但電場分量垂直于理想金屬表面的波無法被抵消。通過引入垂直于金屬墻壁的金屬薄片，利用金屬壁和金屬薄片就可以有效地抑制圖7所示的2種徑向傳播的平面波。

圖7 兩種能被抵消的徑向波

加載交叉板反射地面(CPRGP)后，相比加載前天線結(jié)構(gòu)的方向圖對比數(shù)據(jù)如表1所示。各個頻點的后向輻射被削弱，前后比提高。雖然輻射方向圖的半功率波束寬度整體上略縮小了一些，仰角10°處的增益依舊小于-1.8 dB，仍滿足對于天線增益分布的設(shè)計要求。

表1 添加CPRGP前后天線的方向圖參數(shù)對照

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一款用于多模式兼容導(dǎo)航系統(tǒng)的多頻圓極化天線，以印刷四臂螺旋天線為基礎(chǔ)，通過在螺旋臂末端蝕刻深槽來實現(xiàn)2個不同頻段的工作狀態(tài)，覆蓋現(xiàn)今導(dǎo)航系統(tǒng)的全部頻點：1.16～1.28 GHz和1.53～1.63 GHz。利用交叉板反射地面來優(yōu)化天線的輻射性能，仰角10°處增益達(dá)到-1.8 dB以上，前后比能夠做到大于15 dB，增強了天線抗多徑干擾的能力，可以作為GNSS接收機天線使用。