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小型化GPS/北斗卫星终端四臂螺旋天线研究

摘要

卫星导航系统在如今社会中起到极其重要的作用，可以通过卫星和地面站点提供

全球范围内的位置、速度和时间信息。在民用方面，人们可以使用卫星导航系统来导

航、航行、探测地震、监控大气层等。在军用方面，卫星导航系统可以用于精确导弹

制导、军事监测和情报收集等。

卫星导航系统的终端天线是接收卫星信号的设备，它是卫星导航系统中最关键的

部件之一。终端天线的主要功能是将卫星信号收集到天线上，并将信号传输到接收器

或导航设备中，以计算出用户的位置和速度信息，所以终端天线的设计性能对卫星导

航系统的定位精度和可靠性至关重要，要求天线应该具备高增益、小型化、抗干扰能

力强以及优秀的方向性的特点。其中四臂螺旋天线的方向性较好，具有优秀的圆极化

特性，在卫星导航领域有着广泛的应用。为了满足现代社会中卫星导航系统的高精度

和高集成的要求，本文对四臂螺旋天线的小型化和宽带多频化技术做了相应的研究，

具体的研究结果如下：

第一，通过介绍四臂螺旋天线的馈电网络，针对卫星导航系统的高定位精度的问

题，提高终端天线的增益，以便在弱信号环境下仍然能够准确接收卫星信号，提出一

款基于人工表面等离激元结构的四臂螺旋天线馈电网络，利用人工表面等离激元结构

可以将能量束缚在结构表面上，从而降低传输损耗，且易于与印刷式四臂螺旋天线的

易共形优势结合，实现更好的小型化效果，最后通过仿真进行结果对比。

第二，基于四臂螺旋天线的理论研究以及结构解析，设计了一款应用于北斗卫星

3B11.575GHz

导航系统的多层低剖面四臂螺旋天线，其工作频率为北斗号频段（），

双层低剖面四臂螺旋天线尺寸为螺旋直径20mm，天线高度20mm。为了卫星导航系统

高集成的要求，对天线进一步优化设计，将双层套筒结构改成三层套筒结构，最后设

计的三层低剖面四臂螺旋天线的螺旋直径20mm，剖面高度11mm。

第三，设计了一款多层双频宽带低剖面四臂螺旋天线和一款方形宽带小型化四臂

螺旋天线，多层双频宽带低剖面四臂螺旋天线工作频率为覆盖北斗/GPS各个频段，通

过改变传统的螺旋结构，采用了多层水平结构，从而实现了天线的小型化、低成本和

高精度，天线双频工作，频率为1GHz-1.45GHz和1.54GHz-1.74GHz，天线高度为

20mm。方形宽带小型化四臂螺旋天线对天线顶部进行变形处理，以实现天线尺寸的减

小。在天线侧面采用横向连接的水平金属圆柱，以增加相对臂长以减小轮廓，最后天

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

线工作频率为1.3GHz-1.95GHz，天线高度为10mm。

关键字：卫星导航系统；四臂螺旋天线；小型化；宽带；馈电网络

小型化GPS/北斗卫星终端四臂螺旋天线研究

ABSTRACT

Satellitenavigationsystemsplayanextremelyimportantroleintodayssociety,

providingglobalpositioning,velocity,andtiminginformationthroughsatellitesandground

stations.Incivilapplications,satellitenavigationsystemsareusedfornavigation,maritime

navigation,earthquakedetection,andatmosphericmonitoring.Inmilitaryapplications,

satellitenavigationsystemsareusedforprecisionmissileguidance,militarysurveillance,and

intelligencegathering.

Theterminalantennaofasatel