用于全球定位系统终端的小型化四臂螺旋天线

林 镇，袁家德

(福州大学物理与信息工程学院，福建 福州 350108)

0 引言

圆极化天线因为其良好的抗多径干扰、 “法拉第旋转”效应和极化失配等优点[1]，广泛应用于全球定位系统(GPS)的移动终端设备中. 四臂螺旋天线不仅拥有良好的圆极化性能，其均匀的心形辐射方向图和高前后比等特性也具有突出的优势，更适用于GPS应用.

传统螺旋天线的馈电网络[2]由三个威尔金森功分器级联而成，每个功分器的输出端口具有相同的输出功率，通过相邻端口的微带线长度差提供圆极化所需的顺序相位. 但繁杂的微带线不仅增加了馈电网络的面积，而且引入了更多的损耗, 因此不利于集成在便携式终端设备中. 近年来, 研究者们提出了多种改进方案来缩小四臂螺旋天线馈电网络的面积. 文[3]采用新型微带巴伦结构，通过减少集总元件的使用来缩小馈电网络的尺寸. 文[4-5]提出的共面威尔金森功分器充分提高了接地面的利用率，从而缩小接地的面积. 文[6]提出的馈电网络采用孔径耦合微带转换的方法，在不增加接地面积的情况下提高了天线的带宽性能. 此外，螺旋臂也是决定天线整体尺寸的重要因素，但过于紧凑的螺旋臂结构会大幅影响天线的辐射效率和增益. 文[7]设计的正弦曲线螺旋臂将传统的螺旋轴向长度缩短了50%，文[8-9]通过加载高介电常数的介质材料减小螺旋臂的长度，但增益普遍偏低. 上述技术可以在一定程度上减小天线的尺寸，但这是以牺牲天线效率或增益为代价的，且结构复杂. 本研究提出一种小型化四臂螺旋天线，将精简的馈电结构[10]与类似于PIFA的弯折型螺旋臂相结合，使天线在小型化的基础上具有较高的增益.

1 天线结构与设计

图1 螺旋天线立体图Fig.1 Stereoscopic picture of spiral antenna

小型化四臂螺旋天线的立体结构如图1所示，它由四个顺序旋转的螺旋臂和一个紧凑的一分四正交馈电网络组成，天线的总体尺寸为20 mm × 20 mm × 21 mm(0.10λ0× 0.10λ0× 0.11λ0)，螺旋臂印制在厚度为0.06 mm的柔性板(εr=1.1)的外表面上，底板由两块高度为0.80 mm的FR4板(εr=4.4)堆叠而成，采用同轴馈电，馈电网络分别位于接地面上层和下层.

1.1 螺旋臂设计

螺旋臂设计的演变过程如图2所示. 天线Ⅰ的螺旋臂为四个单极子，天线Ⅱ将螺旋臂进行弯折，加强了相邻螺旋臂之间的耦合，使谐振频率向低频偏移，天线Ⅲ在天线Ⅱ的基础上添加了短路枝节，通过调整枝节与馈电的间距有效改善了天线的阻抗匹配. 天线设计过程中三条天线的反射系数|S11|如图3所示. 从图中可见，螺旋臂在斜率α和螺旋直径l6不变的情况下，天线Ⅰ和天线Ⅱ的阻抗匹配效果较差，天线Ⅲ通过引入短路枝节调整螺旋臂的电流分布阻抗，适当调整短路枝节的位置可以改善天线在工作频段内的输入阻抗，天线Ⅲ螺旋臂的结构参数对应的具体尺寸如表1所示.

图2 螺旋臂设计过程Fig.2 Design process of the spiral arm

图3 天线Ⅰ、 天线Ⅱ、 天线Ⅲ对应的|S11| Fig.3 | S11| corresponding to antenna Ⅰ，antenna Ⅱ and antenna Ⅲ

表1 天线结构参数

1.2 馈电网络设计

图4 馈电网络Fig.4 Feed network

两个完全对称的90°相位延迟线分别印制在馈电网络接地面的上层和下层，同层双端口之间采用四分之三圆环形微带线(长度约为λg/4)进行连接，最大程度地利用了空间，如图4所示. 同轴线内外芯穿过接地面中间的通孔分别接至上层和下层的延迟线，实现了上下层之间稳定的180°相位差. 因此馈电网络各端口之间的阻抗值应满足:

Z1=Zin/2；Z2=Z3=Z4=2Z1

(1)

由于同轴线输入阻抗，故Z1=25 Ω，Z2=Z3=Z4=50 Ω，根据阻抗计算公式可计算出各微带线阻抗对应的初始线宽，再通过仿真软件优化后的结果如表1所示.

馈电网络各输出端口的回波损耗和相位如图5所示. 图5(a)中，天线在GPS频带范围内的回波损耗|S11|均低于 -25 dB，在频点1.575 GHz处，各端口之间的插入损耗约为6.2 dB(一分四网络插入损耗理论值是6.0 dB). 图5(b)中各端口的相位差为(90±1)°，仿真结果表明该馈电网络满足圆极化所需的条件.

图5 馈电网络仿真情况Fig.5 Feed network simulation

1.3 参数分析

图6 l3的变化对频点的影响Fig.6 Effect of l3 variation on |S11|

螺旋臂长是影响天线尺寸的重要因素，旋臂长度对天线端口反射系数|S11|的影响如图6所示. 从图6可见，随着l3值的变大，螺旋天线的频点向低频偏移, 原因是螺旋臂谐振于四分之一波长模式，故螺旋臂长增加会导致谐振点偏低频. 通过仿真得出l3最优值为14.50 mm, 此时天线中心频点为1.575 GHz.

2 实验结果与分析

根据表1中的仿真优化尺寸，制作了天线实物，如图7所示. 用矢量网络分析仪测试了天线|S11|参数，在微波暗室中测试了天线轴比和增益方向图，天线仿真和实测结果对比如图8、 图9所示. 从图8可见，实测的|S11|≤-10 dB，阻抗带宽实测为2.9%(1.555～1.600 GHz).

图9(a)、 (b)分别给出了天线在l1(1.575 GHz)时xoz面、yoz面增益方向图. 从图中可见，仿真和实测结果基本吻合，天线测试增益为4.15 dBi，具有良好的定向辐射特性. 仿真和测试结果间的误差主要来源于FR4材料损耗、 测试误差以及焊接制作公差.

所设计的天线与其它螺旋天线的性能对比如表 2所示，其中λ0为卫星导航天线对应的自由空间波长. 从表中数据可以看出，所提出的天线具有紧凑的尺寸和更高的顶点增益.

图7 天线实物图Fig.7 Physical view of the antenna

图8 天线仿真和测试|S11|对比图Fig.8 Comparison diagram of antenna simulation and test |S11|

图9 天线在1.575 GHz测试和仿真的增益方向Fig.9 Measured and simulated radiation patterns at 1.575 GHz

表2 各天线的性能对比

3 结语

设计一款用于全球定位系统终端的小型化四臂螺旋天线. 该天线采用共地的环状微带延迟线作为馈电网络，弯折型PIFA结构作为螺旋臂进行辐射. 天线拥有良好的定向辐射特性，在保持较高增益的基础上大幅缩小了传统螺旋天线的尺寸，适用于GPS的小型终端设备中.