用于卫星定位的多叉单极子阵列天线设计*

*福建省自然科学基金项目,项目编号：2020J01039；漳州市科技计划项目，项目编号：ZZ2020J04

卫星定位系统是人类20 世纪最伟大的发明创造之一，它依靠多颗定位卫星和数量庞大的地面终端设备共同实现高精度的全球定位。目前最成熟最有应用潜力的定位系统是由美国主导研发设计的全球定位系统和中国自主研发设计的北斗卫星导航系统。

卫星定位天线是卫星定位系统的重要组成部分，对卫星定位的精度和定位有效距离有着决定性的影响。全球定位系统的卫星定位天线需要完全覆盖（1.164 ～ 1.577）GHz 频段^[1-6]，北斗卫星导航系统的卫星定位天线需要完全覆盖（1.204 ～ 1.564）GHz工作频段^[7-10]。合格的卫星定位天线需要同时兼容全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段，并能满足辐射强度高、工作带宽大、有充足性能冗余、辐射能量集中、能够窄波束定向辐射等要求。

1 多叉单极子天线简介

多叉单极子天线的结构如图1所示。该天线的基本辐射单元是星形切角辐射贴片，它由四角星经过切角处理得到。四角星结构具有良好的对称性，8 条边长度相等，作为辐射贴片时，8 条辐射边沿的辐射会同相叠加，形成辐射强度很高的辐射频段。对四角星结构进行切角处理后，其内部转角全部变为钝角，电流传输时的衰减大大减弱，辐射强度能得到明显的提高。卫星定位天线传输的距离很远，需要从地面穿过地球大气层与卫星进行通信，因此对窄波束定向辐射能力的要求很高。微带单极子天线具有高辐射强度和优良定向辐射工作能力，很适合作为卫星定位天线的基础结构。传统的微带单极子天线工作带宽较小，不能完全覆盖全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段，需要改进结构来增大工作带宽。多叉单极子天线是对传统的微带单极子天线的创造性改进设计，它由馈电贴片和多个辐射臂组成，每个辐射臂包含多个星形切角辐射贴片。馈电贴片和任一辐射臂都可以组成一个微带单极子天线，具有较高辐射强度和良好的定向辐射能力，整个多叉单极子天线可以看作是多个工作在不同频段的微带单极子天线叠加在一起，多个辐射频段可以融合成一个较大的辐射频段，解决了微带单极子天线工作频段较小的问题。

图1 多叉单极子辐射结构

2 不对称阵列天线简介

不对称阵列天线是一种改进型直线阵列天线，其阵元天线是结构相似，但是尺寸结构有所区别的天线结构。使用不对称阵列天线可以在利用组阵提高天线辐射强度的同时，利用阵元天线的不对称性，让多个阵元天线工作在不同频段，利用频率叠加效应来拓展天线的工作频段。

3 天线结构设计

PEEK（聚醚醚酮）材料是一种特种工程塑料，具有耐腐蚀、高频高压电性能好、电绝缘性能好等特点^[11-17]，在3D 打印行业中得到了越来越广泛的应用，可以通过3D 打印技术被制作成各种无线通信终端设备的外壳。PEEK 材料具有对射频信号的损耗较小，能够满足卫星定位天线对基质材料的要求。

天线尺寸为35 mm×20 mm×1 mm，使用介电常数为5 的聚醚醚酮基板作为介质基板。天线辐射贴片结构如图2 所示。

图2 天线辐射贴片结构

天线辐射贴片由两个不对称的多叉单极子天线组成，微带单极子天线结构保证了天线具有较大的辐射强度和优异的定向辐射能力，星形切角辐射贴片组成的多个辐射臂保证了天线具有良好的宽频带工作能力，不对称阵列结构进一步拓展了天线的工作带宽。

4 天线辐射性能测试

我们使用3D 打印技术制作了天线样品，使用矢量网络分析仪和OATS 系统对天线的辐射性能和方向性能进行了实际测试，结果如图3~ 图5 所示。

图3 天线辐射性能实测结果

图4 天线E面方向图实测结果

图5 天线H面方向图实测结果

该款天线的工作频带范围为（1.098-1.792）GHz，工作带宽为0.694 GHz，天线谐振频率为1.30 GHz，天线的最低S11 是-27.62 dB。该款天线完全覆盖了全球定位系统的（1.164 ～ 1.577）GHz 工作频段和北斗卫星导航系统的（1.204 ～ 1.564）GHz 工作频段。

天线的方向图的最大增益为15.25 dB，E 面和H 面副瓣和后瓣都较小，天线辐射能量很集中，定向辐射能力优异。

5 结束语

本文针对两种卫星定位系统对定位天线的性能要求，创造性地将星形切角辐射贴片、微带单极子天线、多叉单极子天线、不对称阵列天线相结合，设计了一款用于卫星定位的多叉单极子阵列天线。在设计中，使用多个星形切角辐射贴片组成多个辐射臂，再与馈电贴片相结合组成多叉单极子天线，保证天线基本辐射结构兼具高辐射强度、优良定向辐射工作能力和宽频带辐射工作能力，使用不对称阵列天线结构进一步增强了天线的带宽性能。天线样品实测结果表明，该款天线具有良好的窄波束单方向辐射工作性能，能够完全覆盖全球定位系统和北斗卫星导航系统工作频段，并具有较大性能冗余，有望在卫星定位设备中得到大规模使用。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年3月期）