用于北斗衛(wèi)星定位的漸變縫隙螺旋陣列天線*

*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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(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。

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(duì)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(duì)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(shí)測結(jié)果

圖4 天線E面方向圖實(shí)測結(jié)果

圖5 天線H面方向圖實(shí)測結(jié)果

4   結(jié)束語

本文針對(duì)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。

參考文獻(xiàn)：

[1] HAN C, LIU L, CAI Z, et al. The space–time references of Beido u n a vig a tio n sa te llite system [J]. Sate llite Navigation, 2021, 2(1):1-10.

[2] ZHENG C, ZHANG C, LIU Q, et al. Analysis on application scheme of electronic fence technology in power grid infrastructure project based on Beidou navigation positioning technology [J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021, 1871(1):012065.

[3] SUI X, ZHOU W. A position-coding terminal device for ships based on BeiDou navigation satellite system [J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science,2021, 693(1):012043.

[4] HU B, LI G, CUI W, et al. Research on location convergence method based on Beidou navigation system satellite enhancement [J]. Journal of Physics Conference Series, 2021, 1961(1):012008.

[5] YANG C H, ZHANG Y S. Research on the architecture of Iot middleware platform based on Beidou navigation satellite system-science direct [J]. Procedia Computer Science, 2020, 166:46-50.

[6] CAO X, SHEN F, ZHANG S, et al. Time delay bias between the second and third generation of Beidou navigation satellite system and its effect on precise point positioning[J]. Measurement, 2020:108346.

[7] HE C, LU X, GUO J, et al. Initial analysis for characterizing and mitigating the pseudo range biases of Beidou navigation satellite system [J]. Satellite Navigation, 2020, 1(1):3.

[8] LI R, ZHENG S, WANG E, et al. Advances in Beidou navigation satellite system (BDS) and satellite navigation augmentation technologies [J]. Satellite Navigation, 2020,1(1):12.

[9] ZHOU R, HU Z, ZHAO Q, et al. Elevation-dependent pseudo range variation characteristics analysis for the new-generation Beidou satellite navigation system [J]. GPS Solutions, 2018, 22(3):60.

[10] WANG D, GUO R, XIAO S, et al. Atomic clock performance and combined clock error prediction for the new generation of Beidou navigation satellites [J]. Advances in Space Research, 2018, 63(9):2889-2898.

[11] MALEKPOOR H, SHAHRAKI M. Printed slot antenna fed by CPW supported by broadband planar artificial magnetic conductor with enhanced features [J]. Journal of Communications Technology and Electronics, 2022,67(4):375-386.

[12] PREE CHAP HONKUL W, RATTANADECHO P. The comparative of the performance for predicted thermal models during microwave ablation process using a slot antenna [J]. Case Studies in Thermal Engineering, 2021,25(1):100908.

[13] SRIRAM A, MANOJ D, VARMA D Y, et al. Design of dual polarized slot antenna for UWB communications[ J ] . J o u r n a l o f P h y s i c s Co n f e r e n c e S e r i e s , 2 0 2 1 ,1964(6):062072.

[14] CHEN X, LIU X, LI S, et al. Tunable wideband slot antenna based on printable graph ene Inks [J]. Nanoscale, 2020, 12(20):10949-10955.

[15] HIMDI M, DANIEL J P. Analysis of printed linear slot antenna using lossy transmission line Model [J]. Electronics Letters, 2018, 28(6):598-601.

[16] QUINTEN V, LEMEY S, VANFLETEREN J, et al. Highly efficient impulse-radio ultra-wideband cavity-backed slot antenna in stacked air-filled substrate integrated waveguide technology [J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2018:2199-2209.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年1月期）