用于北斗衛(wèi)星定位的漸變縫隙螺旋陣列天線

林斌

摘要：對傳統(tǒng)的微帶縫隙天線進(jìn)行了大膽而富有創(chuàng)新性的改進(jìn)，將折線螺旋結(jié)構(gòu)和漸變矩形貼片結(jié)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了漸變貼片折線螺旋結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行取反操作后得到了全新的漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)，提高了天線的帶寬。針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對衛(wèi)星定位天線的性能要求，使用漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)作為陣元天線，多個(gè)陣元天線按照直線結(jié)構(gòu)排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線。實(shí)測結(jié)果顯示，該款天線可以完全覆蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工作頻段，定向工作性能好，是性能優(yōu)異的北斗衛(wèi)星定位天線。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星定位；微帶縫隙天線；折線螺旋天線；漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)；直線陣列天線

*基金項(xiàng)目：

1）福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)2020J01039；

2）漳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)ZZ2020J04；

3）福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)閩教科[2017]52號(hào)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是20世紀(jì)末和21世紀(jì)初最重要的科研成果之一，為導(dǎo)航定位、交通運(yùn)輸、精確授時(shí)提供了技術(shù)支持。在定位系統(tǒng)中，定位衛(wèi)星發(fā)送定位信號(hào)，接收機(jī)接收信號(hào)并給與反饋，通過記錄信號(hào)的傳播時(shí)間，可以計(jì)算出衛(wèi)星與地面接收機(jī)之間的距離。綜合多個(gè)衛(wèi)星在軌道中的位置以及它們與地面接收機(jī)的距離，就可以準(zhǔn)確定位地面接收機(jī)所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，實(shí)現(xiàn)高精度定位。衛(wèi)星定位系統(tǒng)受地面氣象條件的影響較小，可以全天候全自動(dòng)完成測量。世界主要國家都在衛(wèi)星定位系統(tǒng)的研發(fā)上投入了巨大的人力物力，目前已有一批較為成熟的衛(wèi)星定位系統(tǒng)投入使用，全世界最成熟、最主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國研發(fā)的全球定位系統(tǒng)和中國研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1-4]。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由中國自主設(shè)計(jì)和研發(fā)，具有完全的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-10]。衛(wèi)星定位終端天線是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分，衛(wèi)星定位終端天線的性能對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的整體性能有著決定性的關(guān)鍵作用。衛(wèi)星定位終端天線必須完全覆蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的（1.204～1.564） GHz 工作頻段，能夠定向輻射且波瓣寬度小、副瓣和后瓣輻射較弱，滿足小體積和高輻射強(qiáng)度要求。

1漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)簡介

微帶縫隙天線在目前應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟的一類射頻天線，具有工作頻段穩(wěn)定可靠、輻射強(qiáng)度較高等多種優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的微帶縫隙天線是窄帶天線，相對工作帶寬通常小于5%，需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)才能擁有一定的寬頻帶工作能力[11-16]。

9個(gè)正方形金屬輻射貼片，依照折線螺旋的規(guī)律，從大到小排列，可以得到漸變貼片折線螺旋結(jié)構(gòu)。9個(gè)正方形金屬輻射貼片從饋電點(diǎn)旋轉(zhuǎn)到螺旋輻射區(qū)中心，每片輻射貼片的邊長逐漸減小。對漸變貼片折線螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行取反操作后可得到漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)，如圖1所示。漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)用于天線設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用多個(gè)尺寸不同的輻射縫隙的輻射頻率疊加效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對較寬工作頻段的覆蓋。

2天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線使用 FR4介質(zhì)基板，它的介電常數(shù)為6，尺寸為55 mm ×15 mm ×1 mm。天線背面為全金屬接地結(jié)構(gòu)。天線輻射貼片如圖2所示，它由3個(gè)漸變縫隙螺旋陣元天線，按照直線結(jié)構(gòu)排列組成的漸變縫隙螺旋陣列天線輻射貼片。

每個(gè)漸變縫隙螺旋陣元天線的尺寸是15 mm ×15 mm，分為3行3列共9個(gè)尺寸為5 mm ×5 mm 的正方形區(qū)域；在每個(gè)正方形區(qū)域的中心位置開出1個(gè)正方形輻射縫隙，從右上角的正方形區(qū)域開始，按照逆時(shí)針螺旋順序，每個(gè)正方形輻射縫隙的邊長逐漸減小，9個(gè)正方形輻射縫隙的邊長依次為4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5、1.0、0.5 mm，每兩個(gè)正方形輻射縫隙之間有直線縫隙相連。3個(gè)陣元天線按照直線結(jié)構(gòu)排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線，可以增強(qiáng)天線整體的輻射強(qiáng)度，并有效增加天線輻射的方向性。

3天線輻射性能測試

我們使用腐蝕工藝制板法制作了天線樣品，對天線的回波損耗性能和輻射方向性能進(jìn)行了實(shí)際測試，結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

該款天線覆蓋了（1.108～1.862） GHz 的頻段，天線帶寬為0.754 GHz，天線諧振頻率為1.41 GHz，回波損耗最小值為-46.91 dB 。天線實(shí)現(xiàn)了對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的1.204～1.564 GHz 工作頻段的完全覆蓋。該款天線的方向圖的主瓣最大增益為13.23 dB，E面主瓣寬度為84°，E 面副瓣電平為-11.21 dB，E 面前后比為10.71 dB； H 面主瓣寬度為80°，H 面副瓣電平為-10.41 dB，H 面前后比為9.76 dB 。該款天線具有優(yōu)異的定向輻射能力。

4結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)的微帶縫隙天線工作帶寬不足的缺點(diǎn)，采用融合設(shè)計(jì)的思路，將折線螺旋結(jié)構(gòu)和漸變矩形貼片結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)并將其應(yīng)用于北斗衛(wèi)星定位天線的設(shè)計(jì)。漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)使用9個(gè)尺寸依次減小的正方形輻射縫隙按照折線螺旋規(guī)律串接組成，9個(gè)縫隙的輻射相疊加，保證了天線具有較大的工作帶寬。多個(gè)漸變縫隙螺旋天線按照直線結(jié)構(gòu)排列組成漸變縫隙螺旋陣列天線，同時(shí)增加了天線的輻射強(qiáng)度和輻射方向性。實(shí)際測試結(jié)果顯示，該款天線能夠完全覆蓋北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的（1.204～1.564） GHz 工作頻段，輻射強(qiáng)度高且有較大性能冗余，能夠定向輻射且波瓣寬度較小、副瓣電平較低、前后比較高，有望作為一款高性能衛(wèi)星定位天線得到大規(guī)模應(yīng)用。

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