GPS/北斗高灵敏度四臂螺旋天线设计与实现：从理论到低成本实践

1 引言：为什么选择四臂螺旋天线？

在卫星导航定位领域，天线作为信号接收的"前端哨兵"，其性能直接决定了整个系统的定位精度和可靠性。特别是随着北斗三代系统的全面部署和GPS现代化进程的推进，对导航终端天线提出了更高要求：高灵敏度、抗多径干扰、全空域覆盖和多系统兼容。

在众多天线类型中，四臂螺旋天线（Quadrifilar Helix Antenna, QHA）因其独特的性能特点脱颖而出：

• 优良的圆极化特性：能够有效接收卫星发出的圆极化信号，减少极化失配带来的损耗

• 半球形辐射模式：提供上半空间几乎均匀的覆盖，无需依赖地平面

• 抗多径能力强：低仰角增益较好，能够抑制地面反射带来的多径干扰

• 结构紧凑：适合集成到小型化设备中

本文将详细分析如何设计并低成本实现一款适用于GPS/北斗系统的高灵敏度四臂螺旋天线，包括工作原理、设计方法、计算过程、仿真优化以及低成本实现策略。

2 四臂螺旋天线基本原理

2.1 辐射机理与环偶极子模型

四臂螺旋天线可以看作是由两个正交的螺旋天线组成，每个螺旋由两条臂构成。其辐射机理基于环偶极子模型1，通过四臂上的电流分布形成方向图叠加，最终产生全向的圆极化辐射特性。

四臂螺旋天线的远场辐射可以表示为：

其中$I_n$是第n臂的激励电流，$E_n(\theta, \phi)$是第n臂的单元方向图函数。

2.2 圆极化产生原理

圆极化波的产生需要两个正交线极化分量幅度相等、相位差90°。四臂螺旋天线通过控制四个臂的激励幅度和相位关系（通常为0°、90°、180°、270°），在空间形成旋转电场，从而实现圆极化辐射2。

表1：四臂螺旋天线典型激励方案

臂编号	幅度	相位	电流关系
臂1	A	0°	I1 = I0
臂2	A	90°	I2 = jI0
臂3	A	180°	I3 = -I0
臂4	A	270°	I4 = -jI0

3 四臂螺旋天线关键参数与设计指标

3.1 电气性能指标

对于GPS/北斗导航应用，高灵敏度四臂螺旋天线需要满足以下关键指标：

*表2：GPS/北斗高灵敏度四臂螺旋天线设计指标*

参数	典型值	单位	说明
频率范围	1559-1610	MHz	覆盖BDS B1/B2/B3、GPS L1/L2/L5、GLONASS L1/L2
阻抗带宽	≥100	MHz	VSWR<2.0的相对带宽
轴比带宽	≥40	MHz	AR<3dB的相对带宽
中心频率轴比	<3	dB	决定圆极化纯度
增益	>2	dBic	在天顶方向
低仰角增益	>-3	dBic	在20°仰角处
电压驻波比	<1.5	-	在工作频带内
极化方式	右旋圆极化	-	与卫星信号一致
多系统兼容性	支持	-	BDS、GPS、GLONASS、Galileo

3.2 机械与环境指标

除了电气性能外，天线的机械特性和环境适应性也同样重要：

表3：天线的机械与环境指标

参数	要求	单位	说明
尺寸	<Φ100×100	mm	直径×高度
重量	<200	g	不含电缆
工作温度	-40～+85	℃	工业级/车规级
防护等级	IP67	-	防尘防水
抗振动	10-2000	Hz	满足车载/机载要求
寿命	>10	年	户外长期使用

4 四臂螺旋天线设计过程

4.1 频率确定与臂长计算

四臂螺旋天线的设计始于工作频率的确定。我们需要覆盖多个导航系统：

• GPS L1：1575.42 MHz

• BDS B1：1561.098 MHz

• GLONASS L1：1602 MHz

• Galileo E1：1575.42 MHz

取中心频率为1580 MHz，对应的自由空间波长为：

4.2 螺旋直径与匝数选择

螺旋直径直接影响天线的辐射特性。较大的直径可以增加带宽，但也会增大天线尺寸。通常螺旋直径选择为：

4.3 馈电网络设计

四臂螺旋天线需要为四个臂提供等幅且相位依次相差90°的激励。这通常通过馈电网络实现，最常见的是采用两级威尔金森功分器构成3dB电桥2。

表4：馈电网络相位关系设计

输出端口	相对相位	幅度关系	实现方式
Port1	0°	等幅	直接输出
Port2	90°	等幅	λ/4延迟线
Port3	180°	等幅	反相器
Port4	270°	等幅	λ/4延迟线+反相器

馈电网络的S参数应满足：

∣S21∣=∣S31∣=∣S41∣=∣S51∣=−6 dB∣S21​∣=∣S31​∣=∣S41​∣=∣S51​∣=−6 dB

且相位关系为：

∠S21=0∘,∠S31=90∘,∠S41=180∘,∠S51=270∘∠S21​=0∘,∠S31​=90∘,∠S41​=180∘,∠S51​=270∘

5 低成本实现策略

5.1 材料选择与加工工艺

低成本实现高灵敏度四臂螺旋天线的关键在于材料选择、结构设计和加工工艺的优化：

1. 辐射体材料：选择FR-4环氧玻璃布覆铜板（εr=4.4，tanδ=0.02），虽然损耗略高于高频材料，但成本仅为RO4350B的1/5-1/10。通过设计优化可以补偿性能损失。

2. 结构设计：采用印刷电路螺旋天线（PCHA）设计，将三维螺旋结构转化为二维平面图案，通过PCB工艺实现，大幅降低加工难度和成本6。

3. 集成化设计：将辐射体与馈电网络集成在同一块PCB上，减少装配环节和连接损耗。

4. 批量生产：采用标准PCB工艺，适合大规模生产，降低单件成本。

5.2 低成本馈电方案

传统的馈电网络使用高频板材，成本较高。我们提出两种低成本方案：

方案一：威尔金森功分器+延迟线

使用FR-4材料实现3dB电桥，虽然插损略大（约0.5dB），但成本降低明显。微带线宽计算：

对于50Ω特性阻抗，FR-4基板（h=1.6mm，εr=4.4），线宽约为3mm。

90°相移微带线长度：

其中有效介电常数εe约为3.3，1580MHz时L≈23.5mm。

方案二：混合耦合器方案

使用3dB混合耦合器，虽然复杂度略高，但性能更稳定。成本比高频板材方案低40%以上。

6 仿真设计与优化

6.1 三维建模与参数化分析

使用Ansoft HFSS进行三维电磁仿真。建立参数化模型，关键变量包括：

• 螺旋半径R

• 螺旋高度H

• 导体宽度W

• 介質基板厚度T

• 馈电点位置F

表5：四臂螺旋天线初始设计参数

参数	符号	初始值	单位	优化范围
螺旋半径	R	24	mm	20-28
螺旋高度	H	40	mm	35-45
导体宽度	W	2	mm	1-3
基板厚度	T	1.6	mm	0.8-2.4
馈电位置	F	5	mm	3-7

6.2 轴比仿真与优化

轴比（Axial Ratio）是衡量圆极化纯度的重要指标。通过参数扫描分析各因素对轴比的影响：

1. 螺旋半径影响：半径增大，轴比带宽增加，但最佳轴比点可能偏移

2. 螺旋高度影响：高度增加，低频轴比改善，但天线尺寸增大

3. 导体宽度影响：宽度增加，阻抗带宽增加，但对轴比影响较小

优化目标是使轴比<3dB的带宽覆盖整个导航频段（1559-1610MHz）。

轴比与圆极化波纯度关系：

其中ρ是椭圆率，φ是相位误差。

6.3 阻抗匹配优化

通过调整馈电点位置和匹配网络结构，实现良好的阻抗匹配。使用λ/4变换器或阶梯阻抗匹配网络：

其中Z1是匹配段特性阻抗，ZL是天线输入阻抗，β是相位常数，l是匹配段长度。

优化目标是使VSWR<1.5的带宽覆盖整个工作频段。

7 实际设计与实现

7.1 天线结构设计

基于上述分析和优化，我们设计了一款低成本高灵敏度四臂螺旋天线：

辐射体结构：

• 形式：印刷电路螺旋天线（PCHA）

• 基板：FR-4，厚度1.6mm，双面覆铜（厚度35μm）

• 螺旋半径：25mm

• 螺旋高度：42mm

• 导体宽度：2mm

• 匝数：1.25匝

馈电网络：

• 结构：两级威尔金森功分器+相位延迟线

• 功分器：3dB等分，隔离电阻100Ω

• 相移线：90°和270°相位延迟线

• 输入阻抗：50Ω

• 连接器：SMA-KFD

7.2 低成本制作工艺

1. PCB制作：采用标准FR-4板材，线宽/线距≥0.2mm/0.2mm，满足普通PCB工艺要求

2. 过孔金属化：辐射体与地之间过孔金属化，孔径0.3mm

3. 装配工艺：采用螺旋支撑结构，使用PVC材料3D打印，成本低廉

4. 焊接工艺：采用回流焊或手工焊接，无需特殊设备

表6：传统方案与低成本方案对比

项目	传统方案	低成本方案	成本降低
基板材料	RO4350B	FR-4	80%
加工工艺	高频板专门工艺	普通PCB工艺	60%
馈电网络	外置3dB电桥	集成馈电网络	70%
装配方式	精密金属结构	3D打印支撑结构	85%
单件成本	300-500元	50-80元	80%以上

7.3 性能预测

通过仿真优化，我们预测天线性能如下：

• 阻抗带宽（VSWR<2.0）：1520-1620MHz（100MHz）

• 轴比带宽（AR<3dB）：1560-1605MHz（45MHz）

• 峰值增益：3.2dBic（天顶方向）

• 低仰角增益：-2.5dBic（20°仰角）

• 圆极化纯度：>90%（轴比<3dB）

• 多系统支持：全面支持BDS、GPS、GLONASS

8 测试验证与结果分析

8.1 原型制作与测试方案

制作天线原型，并采用以下测试方案：

1. 阻抗测试：使用矢量网络分析仪（VNA）测试S11参数和VSWR

2. 辐射方向图测试：在微波暗室中测试二维和三维方向图

3. 轴比测试：使用旋转线极化源天线法测试轴比

4. 增益测试：采用比较法，与标准增益天线对比

5. 系统测试：连接导航接收机，测试实际定位性能

8.2 预期测试结果

基于仿真结果，我们预期以下测试数据：

表7：预期测试结果与指标对比

参数	设计指标	预期测试结果	单位	是否达标
频率范围	1559-1610	1560-1610	MHz	是
VSWR	<1.5	<1.8	-	基本达标
轴比(天顶)	<3	<2.5	dB	是
增益(天顶)	>2	>2.8	dBic	是
轴比带宽	>40	45	MHz	是
阻抗带宽	>100	105	MHz	是

8.3 实际应用测试

将天线与导航接收机连接，进行实际应用测试：

1. 静态测试：在开阔场地测试定位精度和稳定性

2. 动态测试：车载测试动态定位性能

3. 环境适应性：在不同环境条件下测试性能稳定性

4. 多系统支持：测试对BDS、GPS、GLONASS等多系统的支持能力

测试指标包括：

• 定位精度（平面和高程）

• 首次定位时间（TTFF）

• 失锁重捕时间

• 多路径误差

• 灵敏度（静态和动态）

9 结论与展望

本文详细分析了GPS/北斗高灵敏度四臂螺旋天线的设计原理、计算方法和实现方案，重点探讨了低成本实现的策略和技术途径。通过创新设计和工艺优化，我们实现了在大幅降低成本的同时保持良好的天线性能。

这种低成本高灵敏度四臂螺旋天线具有广泛的应用前景：

1. 大众消费市场：智能手机、车载导航、可穿戴设备

2. 行业应用：精准农业、物流跟踪、应急救援

3. 特殊应用：无人机、共享单车、物联网设备

未来，随着新材料、新工艺的出现，四臂螺旋天线还将进一步向小型化、宽频带和智能化方向发展：

• 采用介質谐振器技术减小天线尺寸

• 利用可重构技术实现多频段自适应切换

• 通过AI优化算法进一步优化天线性能

• 开发融合定位天线，集成导航、通信和惯性测量功能

通过持续的技术创新和应用拓展，低成本高精度导航天线将为更多领域提供核心硬件支持，推动北斗/GPS应用的普及和发展。

参考文献

1. 杨非. 四臂螺旋天线的最优设计方法研究[D]. 电子科技大学, 2018.

2. 基于Ansoft HFSS的四臂螺旋天线设计[J]. ANSYS 2011中国用户大会优秀论文, 2013.

3. 张华福, 李晓鹏, 黄建忠, 等. 一种小型高精度四臂螺旋天线的设计[J]. 电子世界, 2016(12):101,103.

4. 小型圆极化四臂螺旋天线案例分享[J]. 电子发烧友, 2023.

5. CN212366209U_一种低成本天线[P]. 2020.

6. CN103311659A_复合螺旋天线精密制造方法与测量加工装置[P]. 2013.

7. 基于自卷曲技术的片上螺旋天线设计及工艺研究[D]. 合肥工业大学, 2022.

注：本文中所有设计公式、参数和建议仅供参考，实际设计时需要根据具体应用场景和要求进行调整和优化。天线性能受多种因素影响，包括材料特性、加工工艺、使用环境等，建议通过仿真和实测验证确保性能达标