用于北斗衛(wèi)星定位的漸變縫隙螺旋陣列天線*

*基金項目：

1）福建省自然科學(xué)基金項目，項目編號2020J01039；

2）漳州市科技計劃項目，項目編號ZZ2020J04；

3）福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目，項目編號閩教科[2017]52號

衛(wèi)星定位系統(tǒng)是20 世紀末和21 世紀初最重要的科研成果之一，為導(dǎo)航定位、交通運輸、精確授時提供了技術(shù)支持。在定位系統(tǒng)中，定位衛(wèi)星發(fā)送定位信號，接收機接收信號并給與反饋，通過記錄信號的傳播時間，可以計算出衛(wèi)星與地面接收機之間的距離。綜合多個衛(wèi)星在軌道中的位置以及它們與地面接收機的距離，就可以準確定位地面接收機所在位置的經(jīng)度、緯度和高度，實現(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)計和研發(fā)，具有完全的知識產(chǎn)權(quán)，目前已在多個領(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、輻射強度較高等多種優(yōu)點。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%，需要進行改進設(shè)計才能擁有一定的寬頻帶工作能力^[11-16]。

9 個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 個正方形金屬輻射貼片從饋電點旋轉(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)計時，可以利用多個尺寸不同的輻射縫隙的輻射頻率疊加效應(yīng)，實現(xiàn)對較寬工作頻段的覆蓋。

圖1 漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖

2   天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

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 個尺寸為5 mm×5 mm 的正方形區(qū)域；在每個正方形區(qū)域的中心位置開出1 個正方形輻射縫隙，從右上角的正方形區(qū)域開始，按照逆時針螺旋順序，每個正方形輻射縫隙的邊長逐漸減小，9 個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，每兩個正方形輻射縫隙之間有直線縫隙相連。3 個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，可以增強天線整體的輻射強度，并有效增加天線輻射的方向性。

圖2 天線輻射貼片結(jié)構(gòu)示意圖

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行了實際測試，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。

圖3 天線輻射性能實測結(jié)果

圖4 天線E面方向圖實測結(jié)果

圖5 天線H面方向圖實測結(jié)果

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，采用融合設(shè)計的思路，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。漸變縫隙螺旋結(jié)構(gòu)使用9個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 個縫隙的輻射相疊加，保證了天線具有較大的工作帶寬。多個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，同時增加了天線的輻射強度和輻射方向性。實際測試結(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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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）