全球定位系统中的小型介质加载四臂螺旋天线

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1、浙江大学硕士学位论文结合的思路，进一步减小了天线尺寸。图2．2印刷半波长四臂螺旋天线2001年O．Leisten提出了陶瓷介质加载四臂螺旋天线(Dielectrically—loadedQuadrifilarHelixAntenna，DQHA)[10]。该天线采用相对介电常数￡r=36的陶瓷填充，天线体积缩d,NlOX17．8mm(底面直径x高)，为未加载时体积的1／6左右。相对于应用于GPS系统的介质加载微带贴片天线，DQHA还具有优良的前后比和广角圆极化特性，且电磁场被约束在陶瓷核内，近场很小，天线受手机、人手等周围物体影响较小，这种特性也使该天线能够和其他天线安装在较近的

2、位置而不会受到严重干扰。除采用陶瓷介质外，四臂螺旋天线还有其他几种小型化方法。如曲流法[11][12]，该技术将天线臂蜿蜒折叠，天线轴长可减d,50％以上；枝节加载法[133，针对螺旋臂中点电流为零，将该部分螺旋结构变成水平弧线，可使天线轴长缩减15％；部分折叠法[14]，将螺旋臂顶部一部分向下垂直弯曲，天线轴长可以缩减20％。这些小型化方法将在第三章中详细介绍。除了小型化外，当前人们对四臂螺旋天线的宽频技术和多频技术研究也比较热门。传统的四臂螺旋天线可以通过将两个不同谐振频率的天线，采用同轴方式进行上下堆叠或内外嵌套组合成双频天线[15]，不过相对于单频天线，双频天线的性能有

3、所下降，增益分别减少了3．5dB和1．5dB，且后瓣增大；在文献[16]中，也提出了将四臂螺旋天线的每条臂用三条不同谐振长度的臂代替，实现了三频段工作。10篱一浙江大学硕士学位论文1．3本课题研究的主要内容谐振型四臂螺旋天线为实现心形的圆极化方向图，需要四条臂依次相差90度馈电，当把四臂螺旋天线看成由两个双臂螺旋天线组成时，需要两个双臂螺旋正交馈电。馈电问题是四臂螺旋天线面临的主要问题。本课题将主要研究介质加载型四臂螺旋天线的正交、平衡馈电问题和加工制作工艺。本课题在介绍GPS天线一般要求和螺旋天线基本理论的基础上，阐述了四臂螺旋天线的组成和工作原理，研究了该天线的正交、平衡馈

4、电方法和小型化方法；设计了一种小型介质加载四臂螺旋天线，利用HFSS仿真软件对其进行了仿真；同时，研究了该天线的制作方法，并对制作出的天线样品进行了测试。论文各章节分布及主要内容如下：第一章：绪论。介绍本课题的背景，发展历程和当前研究状况，并简介论文主要内容。第二章：GPS天线概述。综述了GPS组成和工作原理，总结了6PS天线的性能要求，并简要介绍了两种主要的6PS接收天线，即微带天线和四臂螺旋天线。第三章：螺旋天线分析及设计方案提出。介绍螺旋天线的基本理论和设计方法，重点分析了四臂螺旋天线的构成和工作原理，包括正交馈电和平衡馈电等问题；研究了四臂螺旋天线的小型化、圆极化和多频

5、化方法；为下一章介质加载四臂螺旋天线设计做准备。第四章：介质加载四臂螺旋天线设计。根据前述四臂螺旋天线理论和分析，设计了介质加载型四臂螺旋天线模型，给出了天线尺寸，分析了该天线正交馈电和平衡馈电方法。利用HFSS软件，对设计进行了仿真和优化，得到了反射系数、谐振频率、方向图、轴比等仿真数据。仿真采取先宜后难的步骤进行，即按照先空气加载后介质加载、先双臂螺旋后四臂螺旋的顺序，依次对四种天线进行了仿真。仿真过程中，研究了介质加载对双臂螺旋和四臂螺旋天线尺寸的缩减能力，以及臂宽对四臂螺旋谐振频率的影响。第五章：介质加载四臂螺旋天线的制作研究。制作步骤包括陶瓷基体的选择、基体上铜膜的镀

6、覆、天线螺旋臂的刻蚀、馈电结构安装及频率和相位激光微调五部分。其中，激光刻蚀螺旋臂和激光微调频率和相位是天线制作的重点和难点。本论文采用了激光打标机和步进电机结合实现三维螺旋臂结构的加工，为该天线浙江大学硕士学位论文的制作提供了一种新的工艺。对制作完成的样品天线进行了测试，有关参数基本达到设计要求。第六章：总结和展望。对四臂螺旋天线的研制进行了总结，并提出了该天线在研制过程中存在的问题，及下一步研究方向。浙江大学硕士学位论文2．1引言第二章GPS天线概述设计应用于GPS小型化接收机的介质加载四臂螺旋天线，首先要了解GPS系统对天线的一般要求。本章在综述GPS定位原理和信号特征的

7、基础上，对GPS接收天线的要求进行了总结和探讨，并介绍了两种主要GPS接收机天线。2．26PS组成和工作原理GPS系统主要有三大部分组成，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。空间星座的分布保障了在地球上任何地点、任何时刻至少有4颗卫星被同时观测；地面监控部分监测和控制星座的运行，并注入相关数据；用户部分是指各种应用的接收机，主要有主机、天线、电源和数据处理软件构成。GPS卫星设计星座由24颗卫星组成，其中工作星21颗，备用星3颗，卫星分布在6个轨道面上，每个轨道上均匀分布4颗。卫星轨