多模导航系统的接收天线的设计

商 锋, 刘一江

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

多模导航系统的接收天线的设计

商 锋, 刘一江

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

在多模导航系统接收机中可以用一个宽带天线来覆盖所有频段，实现导航信号的共同接收。平面螺旋天线具有很宽的工作频带，在现代通信领域应用越来越广。由于在宽频带内实现匹配较难，天线效率不高，尤其低仰角增益不高，限制了其在导航系统中的应用。文中设计的平面阿基米德螺旋天线采用了自互补结构，加入了反射腔和吸收电阻，有效地改善了辐射及宽带匹配特性，并在低仰角也达到了增益要求。因此它可以作为多模导航系统的接收天线。

多模导航系统；阿基米德平面螺旋天线；巴伦；反射腔

随着多种卫星导航系统的渐渐完善，组合应用多种导航系统，设计出符合指标的多模接收天线,来提高系统精度和系统可靠性成为当下卫星导航领域的研究热点。作为多模导航系统的接收天线，需要覆盖导航系统所有频段，实现导航信号的共同接收，因此工作频带要求设计为1 170～1 620 MHz。并且其低仰角增益也必须达到要求[1]，在30°仰角增益要求-1～0 dB，在20°仰角增益要求大于-2 dB。

平面螺旋天线基于相似原理。相似原理是指天线的所有尺寸按波长成比例变化，天线的工作特性不变。因此平面螺旋的工作特性和频率无关，可以获得很大的圆极化带宽和阻抗带宽。但其在宽频带内实现匹配较难，天线效率不高，尤其低仰角增益不高，限制了其在导航系统中的应用。

近年来国内外对于平面螺旋天线的研究越来越多，发展出了很多形式。其中阿基米德正多边形螺旋天线为了实现宽频带内理想的轴比，使得增益受到了影响；椭圆形背腔螺旋天线可以通过椭圆背腔来控制波束宽度，缺点是轴比和增益不够理想。

本文采用自补型平面阿基米德螺旋天线，在应用带宽内有效地改善了辐射特性，并通过加入合适的反射腔，获得单向辐射，使得在低仰角也达到了增益要求。同时馈电电路中巴伦与阻抗变换器的优化设计很好地实现了宽频带内阻抗的匹配，提高了天线的效率。

1 阿基米德平面螺旋天线

阿基米德平面螺旋天线的半径r随角度ψ的变化均匀增加,即。

r=r0+aφ

(1)

式中r0为起始半径，a为螺旋的增长率。

另一臂方程为

r=r0+a(φ-π)

(2)

在天线两臂中心使用平衡馈线以180°相位差馈电，将获得符合左右手规律的圆极化[1]。

螺旋臂的辐射主要来自臂表面上的电流，在平均半径为λ/2π的电流带上，相邻双臂中的电流接近同相，成为主要辐射区[2-3]。当频率变化时，主要辐射区也会随着变动，但是方向图基本不变。因此，天线具有宽频带特性。

由于是有限长的天线，并不是严格意义上的非频变天线，在螺旋末端会产生反射电流，形成交叉极化，影响辐射，恶化轴比。因此在螺旋末端添加吸收电阻[2]。

为了获得单向圆极化辐射，还应该安装反射腔体。对于一般的平面螺旋天线都是加入吸波材料，这样可以提高天线的带宽和轴比，但却使天线的效率大大降低。采用圆台形的反射腔很好地实现了单向辐射，对非频变特性改变也不大，实现了宽带。

2 螺旋天线的结构设计与仿真

图1 平面螺旋天线HFSS模型

由于该螺旋天线是平衡结构，而同轴线馈电是非平衡结构，因此需要设计一个巴伦。另外，同轴线特性阻抗是50 Ω，与天线并不匹配，因此需要阻抗变换器。将巴伦与阻抗匹配器设计成微带线形式，一边是特性阻抗与天线输入阻抗相同的平行双线结构，另一边渐变成特性阻抗为50 Ω的微带线。HFSS模型如图2，左边是双线，右边是微带线。上面的带线通过梯形渐变，下面的带线通过指数渐变[4-6]。

图2 巴伦及阻抗匹配器HFSS模型

为了获得单向辐射，加入了反射腔。使得向反射腔辐射的电磁波，经过一定距离的自由空间后反射，并重新到达螺旋平面。电磁波经过反射相位会改变180°。如果设计使得向腔体一侧辐射的电磁波经过四分之一波长传播后反射，相位改变180°，反射波到达螺旋平面与前向辐射波相位相同，辐射叠加，就会提高增益[7-8]。不同频率对应波长不同，因而普通反射腔会影响宽频带特性。本文采用圆台型的反射腔。通过对圆台斜率的设计，使得不同频率主要辐射区辐射的电磁波到达圆台斜面的距离都是四分之一波长，从而满足宽频特性。HFSS模型如图3。

图3 反射腔HFSS模型

应用HFSS对设计进行仿真，不加反射腔时输入阻抗约为134 Ω，加入反射腔，输入阻抗以上面阻抗为中心上下波动。因此设计阻抗匹配器一边是特性阻抗为134 Ω的平行双线，另一边是特性阻抗为50 Ω的微带线。

3 天线仿真结果

对整个阿基米德平面螺旋天线仿真，可得到天线的驻波图，辐射方向图以及轴比。驻波如图4，可以看出天线在1.1～1.7 GHz的驻波均小于1.5，很好地实现了宽带。

图4 天线驻波系数

天线在宽带内都实现了很好地圆极化，中心频率辐射方向图如图5，正前方增益为5.05 dB，30°仰角增益大于-1 dB，20°大于-2 dB。

由于在螺旋末端添加了吸收电阻，很好地减小了末端的反射，减小了交叉极化的辐射，中心频率出的轴比如图6，20°仰角轴比小于3 dB。

天线在整个工作频带1120～1670MHz的正前方最大增益如图7，可见很好地实现了宽频特性。

图5 天线辐射方向图

图6 天线轴比

图7 工作频带内的正前方增益

4 结论

本文设计仿真的单向辐射的阿基米德平面螺旋天线在1 120～1 670 MHz工作频段内很好地实现了右旋圆极化辐射，驻波小于1.5，在30°仰角增益为-1～0 dB，在20°仰角增益大于-2 dB，且轴比小于3 dB。因此该天线可以作为多模导航系统的接收天线。

[1] 商锋.北斗天线的研究现状及其面临的技术问题[J].西安邮电大学学报，2013,18(5):2-3.

[2] Milligan T A. Modern Antenna Design.Second Edition[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry，2012:390-391.

[3] 王新稳.微波技术与天线[M].北京:电子工业出版社，2008:45-46.

[4] 马如涛.巴伦对地阻抗的计算[J].现代雷达，1999,21(3):57-58.

[5] 尹应增.宽频带微带传输线巴伦的研究[J].电波科学学报，1999,14(2):191-194.

[6] 宋朝晖.一种平面等角螺旋天线及宽频带巴伦的研究[J].制导与引信，2003,24(2):36-37.

[7] 刘宗全.一种共形宽带圆极化螺旋天线的设计[J].电讯技术，2011,51(11):94-95.

[8] 钟顺时.天线理论与技术[M].北京:电子工业出版社，2011:225-226.

[责任编辑:孙书娜]

Design of receiving antenna for multi-mode satellite navigation system

SHANG Feng, LIU Yijiang

(School of Electronic Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)

In multi-mode satellite navigation system receiver, a broadband antenna can cover all frequency bands to receive all navigation signals. Since planar spiral antenna has a wide frequency band, it has been used more widely in modern communications applications. But the wideband matching network is difficult to implement and the antenna gain is low, especially for the low elevation gain. All these limit its application in the navigation system. The planar Archimedean spiral antenna described in this paper is self-complementary. It adds a reflecting cavity and absorption resistance, which can improve the radiation and wideband matching characteristics effectively, and also can reach low elevation gain requirements. Therefore it can be used as receiving antenna in multi-mode satellite navigation system.

multi-mode satellite navigation system，planar spiral antenna，balun，reflecting cavity

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.012

2014-08-13

商锋(1966-)，男，教授，从事宽波瓣天线技术和宽带微带天线技术研究。E-mail: shangphone@sohu.com 刘一江(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为射频与微波电路。E-mail:lyjdaodao@163.com

TN828.5

A

2095-6533(2014)06-0062-04