自馈相四臂螺旋GNSS天线设计技术

自馈相四臂螺旋天线是目前国内航天器采用最广泛的天线形式。采用线绕四臂螺旋天线，形成标准的心脏形波束。采用不锈钢材料，连接处应用激光焊接工艺，并将电性能调配、机械加工和激光焊接一次完成，该工艺具有焊接无须焊料、焊接性能可靠、环境适应性能优良、成本低廉和便于实施等优点。

前文2.3节中已介绍，谐振型四臂螺旋天线可以被看成由空间正交90°馈电的两组双线螺旋组成，如图4-1所示。下面以λ/2长、1/2匝的双线螺旋天线为例来说明。

双线螺旋天线可形成幅值方向图为1+cosθ的心脏形半球波束，辐射最大指向天线轴向，θ=0°。四臂螺旋天线的两个辐射分量（Eθ，Eφ）空间正交、幅值相等、相差90°，可实现全空间的圆极化，而且空间相位分布均匀，所以可近似作为理想点源。

图4-1　四臂螺旋天线结构示意

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图4-2　自馈相四臂螺旋GNSS天线结构

一般来说，形成半球波束的四臂螺旋天线，还需有一个3 dB/90°的圆极化馈电网络。为了简化星载GNSS天线的配置，圆极化馈电可利用天线自身的输入导纳来实现。调整两臂正交螺旋线的长度，一臂短于λ/2，另一臂长于λ/2，二臂分别为容性和感性阻抗，使其满足圆极化馈电条件。天线阻抗匹配可采用λ/4阻抗变换段实现。这样，在未加任何外围零部件的情况下，可实现天线的圆极化及阻抗匹配，提高天线集成度。

自馈相四臂螺旋天线结构如图4-2所示。它省略了传统四臂螺旋天线圆极化实现过程中的90°移相网络，阻抗匹配采用λ/4阻抗变换段实现，结构紧凑、集成度高。在螺旋天线外面加装了天线罩，该罩用石英纤维复合材料做成薄壳结构，对电磁波近乎透明，不会造成方向图畸变和明显的损耗，天线方向图如图4-3所示。天线通过底部安装法兰直接固装在星体上，有足够的刚度和强度，已用在多颗卫星上。

图4-3　自馈相四臂螺旋GNSS方向图（频率=1 575 MHz）