RFID标签天线及北斗四臂螺旋天线研究

I 摘 要线射频识别 技术在近几年发展迅速并逐渐广泛应用，它是由电子标签 (读写器 (中间件(部分组成的一种短距离无线通信系统。在 统中，天线位于系统的最前端，是 统的重要组成部分，天线结构大小，阻抗，带宽，极化方式，增益等都直接影响着系统的正常运行，天线的参数质量好坏，对整个射频识别系统的性能有着重要的影响。 近年来，我国的北斗卫星定位系统（ 断成熟 ，已经发展成为全球四大卫星定位系统之一。 目前开放的北斗系 统上行 L 频段为 行 S 当前占领市场主导地位的 统而言，北斗系统有自己独特的优点。它同时具备定位与通信双重功能，无需其它通信系统支持，而 统只能定位。随着我国卫星导航定位需求的增加，研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义。其中，四臂螺旋天线可以获得性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性 , 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用。 。 本文首先概述了无线射频识别技术以及北斗卫星定位系统的相关知识，接着讨 论了签天线以及圆极化四臂螺旋天线的研究现状。 第二章介绍了天线的基本参数，频识别技术中的标签天线以及圆极化天线的基本理论，作为后续研究工作的理论基础。在第三章 签天线的设计中，首先通过引入电感耦合馈电，设计了一种可以在两个 统频段 915 都能够实现与芯片复阻抗进行匹配的签天线；然后 依据对天线雷达散射截面 分析，提出了一种标签天线的 最大 值 设计方法，提高了系统的稳定性。最后在第四章中，为了满足北斗系统手持终端设备的需要，设计了一种北 斗组合四臂螺旋天线，该天线收发一体，结构紧凑，能够满足北斗系统的参数要求。 关键词 ： 签天线 ； 阻抗匹配 ； 雷达散射截面；北斗卫星定位系统；四臂螺旋天线 ； in is a as a of in At PS 1 ( 5 ( in is it is to a a on a is to of 15a 15mm is on An of is is a of CS so it of a HA a on is to P of of on 录 摘 要 . I . 一章 绪论 . 1 究 背景 . 1 频识别技术 . 1 斗卫星定位系统 . 2 内外研究现状 . 3 签天线的研究进展 . 3 极化四臂螺旋天线的研究进 展 . 10 论文的 写作安排及 主要工作 . 17 文的写作安排 . 17 者所完成的主要工作 . 17 第二章 相关基础理论 . 19 言 . 19 线的基本理论 . 19 称阵子天线及其阻抗分析 . 20 线的基本参量 . 25 线的电路模型 . 27 极化天线的基本理论 . 29 极化辐射以及产生条件 . 29 臂螺旋天线的基本理论 . 30 章小结 . 32 第三章 签天线设计 . 33 言 . 33 阻抗匹配双频 签天线设计 . 33 线结构设计及分析 . 34 验结果 . 39 签天线最大 值设计方法 . 40 签天线的雷达反射截面 (. 40 大 值设计方法及结果比较 . 41 章小结 . 44 第四章 北斗四臂螺旋天线设计 . 46 言 . 46 斗组合双频四臂螺旋天线结构及设计 . 46 合四臂螺旋天线结构 . 46 射单元设计跟方向图控制 . 48 型馈电网络的设计 . 50 验结果与分析 . 53 章小结 . 57 结 论 . 58 参考文献 . 59 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 63 致 谢 . 64 第一章 绪论 1 第 一 章 绪论 究 背景 频识别技术 无线射频识别技术在近几年发展迅速并逐渐广泛应用， 作为一种 短距离无线通信系统 ，它 由电子标签 写器 后台数据处理系统 部分组成 1。 其中电子标签 由标签天线与标签芯片组成的。 电子 标签 有两种工作模式：被动模式和主动模式 。 主动电子标签为有源设备， 标签自身可以提供能量；而被动电子标签则为反向散射或者感应耦合模式，该模式标签为无源设备，标签通过从读写器发射的电磁波中获取能量进行工作，激活标签芯片中的逻辑电路将反射的电磁波进行编码 ，把信息反射出去有读写器接收。 术是一种综合多门学科的应用技术，主要包括：芯片技术，天线技术，通信技术及计算机网络技术等等。 术目前已广泛应用在工业自动化，商业自动化和交通运输控制管理等众多领域：列车监控管理，高速公路自动收费系统，停车场管理系统，物流商品链，门禁系统，仓储管理，动物跟踪管理等，具有广阔的发展前 景。如今，国内外已经有数个 世界范围内进一步规范合理发展打下了坚实的基础。在无线频谱资源方面， 子标签典型的工作频率有： 125133433902，工作在不同频率的系统有着不同的应用 2。 尽管 经得到世界范围内的广泛应用并具有良好的发展前景 ，仍有许多因素制约着 术的快速发展。例如： 1， 统标准的不统一，造成各个厂商之间的产品得不到兼容，阻碍其产品在世界范围内的互通和发展； 2，成本问题，相比条形码而言， 签的生产成本还较高，现今难以实现大规模的商用； 3，安全性和可靠性还未完善，存在较高的差错率。 有时单个标签被误读率 高达 20。为了解决上述问题，相关研究单位仍然要不断增加技术研发，保证 术更快更好地发展。 在 统中，天线位于系统的最前端，是 统的重要组成部分，天线性能，阻抗，带宽，极化方式 等都直接影响着系统的正常运行，天线的参数质量好坏，对华南理工大学硕士学位论文 2 整个射频识别系统的性能有着重要的影响 3。根据 同的应用频率，天线的结构，工作原理也大不相同，这是 线设计中所要注意的重要问题。 被动式电子标签有两种工作模式。一种是 工作在近场的 感应耦合 （ 模式 , 其 中 标签天线和 读写器天线都采用线圈形式，它主要适用用于 及 统；另一种 是反向散射 （ 模式 , 即 远场工作模式 , 此模式天线主要包括微带天线、平面偶极子天线和环形天线，主要适用于 高频和微波 统。 段 以及微波频段 的 统 已经 逐渐成为 当下 的研究热点，很多时候需要签天线能够 同时工作在 上述 两个 系统 频段 上 ，但是能满足 统双频工作要求的标签天线却不常见，因此本文的 一部分 工作是研究 微波频段的 频标签天线的设计与分析。 另一方面， 统 的设计是在对天线雷达散射截面（ 分析 基础上建立起来的，本文另一项工作是通过对天线 分析，提出了一种标签天线的失配设计方法， 从而获得最大的反射截面系数差，提高识别率，保证系统的稳定运行。 斗卫星定位系统 北斗卫星导航定位系统（ 我国 自主研制开发的有源 区域性 三维卫星定位与通信系统，是继美国的 罗斯的 欧洲的伽利略之外第四 个较成熟的卫星导航系统 4。 目前开放的北斗系统上行 L 频段为 行 S 频段为 可向用户提供高精度、 全天候、 区域性的定位服务，定位精度达数十柰秒 (与 当。 与当前占领市场主导地位的 统而言，北斗系统有自己独特的优点 5： （ 1） 北斗系统的三大功能： 快速定位：系统可为 终端 用户提供 高精度、 全天候、快速实时定位服务，定位精度为 20 ； 短信通信：系统用户终端具有短信通信功能，注册 用户 可以传送 最多 120 个汉字的短 信息； 精密授时：系统具有单向 与双向的授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端完成与 北斗系统之间频率和时间的 同步， 具有两种时间同步精度： 100向授时）以及 20向授时）。 （ 2） 北斗系统 的优势 第一章 绪论 3 除了定位，还具有通信功能 ， 且 无需其它通信系统支持，而 统只可以定位；覆盖范围大且没有盲区。 盖我国及周边国家等地区，不仅可为我国、也可为 其他 国家服务； 尤其 适合集团用户 的 大范围 管理与 监控 ；独有 的 指挥型用户机设计和 中心节点式定位处理。它不 但可以使用户知道自己所在的位置，还可告诉他人自己的位置所在地，特别适合需要导航跟移动数据通讯 场所， 例 如 调度指挥、 交通运输、地理信息实时查询、 搜索营救等；自主系统， 且 高强度加密设计， 可靠、 安全、稳定，方便 关键部门应用； 地面 接收终端不需基站，用户 的 终端相对便宜。 北斗系统 的潜力主要 表 现在定位 跟 通信 的 综合领域 中。当前只需要定位的用户，对北斗的需求不迫切；对于既要定位又要把位置信息发送 出去的用户， 北斗系统 是非常有用的。 随着我国卫星导航定位需求的增加，研究工作于北斗系统的全双工圆极化天线有着十分重要的意义。 作为电磁信 号的接收 单元，天线性能的好坏直接决定着系统的稳定性。北斗系统对天线有如下要求：圆极化；双频段工作；波束宽度宽，仰角 5 度的增益大于结构紧凑，适合安装在北斗系统终端设备中。在北斗天线中， 四臂螺旋天线 以其性能优良的圆极化半球波束以及紧凑的结构和优良的环境适应性 , 使它在卫星定位系统中有着广泛的应用。 本文另外一项重要的工作就是设计了一种适用于北斗系统终端设备中的组合双频四臂螺旋天线，该天线具有带宽宽，波束宽度宽，增益高，结构紧凑等特点，满足北斗系统对天线的设计要求，具有广泛的应用前景。 内外研究 现状 签天线的 研究 进展 签天线是最近快速发展的研究热点，标签天线在 统中作用重大，其参数性能的好坏对系统的正常运行起着决定性的作用 6。 子标签是由标签天线以及芯片组成，天线与芯片之间的阻抗匹配值得关注，另外，天线的增益，带宽，大小形状，读取距离，反射系数，附着物体的影响等都是在天线设计中需要考虑到的问题7。总的来说，我们可以把 签天线分成感性耦合式线圈天线以及反向散射式天线两类。本论文主要研究是后一种反向散射式天线。 （ 1） 感性耦合式线圈天线 这类天线主要应用在低频和高频波段的 统中，其基本形式是由线圈绕制而成，其工作原理是： 读写器阅读标签时 , 会发出未 调制的信号 ,位 于读写器天线近场 区 的华南理工大学硕士学位论文 4 标签天线接收 该信号 ，接着 标签芯片 被激活 , 由芯片根据 存储 在内部 的全球唯一识别 变 标签天线 的电流大小，从而进一步减小或者增强阅读器天 线的磁场。此 时 , 读写器近场分量表 现出被调制的特性 , 读写器 的 内部电路 通过 解调 这个被调制量从而 得到标签信息。工作在这两个频段的射频识别系统都受制于近场作用的范围 , 从而导致其识别距离较短。根据目前的情况来看 , 采用近场通信的射频识别系统最大的识别距离小于 1 米。 下图 1一例电感耦合式天线的实际应用，以及其等效电路 8： 在实际应用中，设计者把这种线圈天线与标签芯片集成安装在了一只塑料圆珠笔内 ，制成一只 签笔，通过软件仿真和实际测试，此标签能在 23范围内顺利被读取。 (a) (b) 图 1 a） 线圈天线设计模型 （ b） 线圈天线 （ 2） 反向散射式 签天线的阻抗匹配及其小型化 这类天线主要工作在 高频以及微波波段，包括偶极子天线 、微带天线 和环形天线等。 基本工作原理是：读写器 跟 标签之间采用 无线电磁波进行信息传输。读写器对电子标签进行 识别时 , 首先发射未 调制的电磁波 , 这时位于远场的标签天线接收到该信号并 且 在 标签 天线上产生感应 的 电压 , 标签内部 的 电路将这个感应 出的电压进行整流放大用来激活芯片。当 芯片 被 激活之后 , 使 用自身的全球唯一 识号对内部 芯片 的阻抗进行 改变 , 当标签天线阻抗和芯片之间的阻抗匹配较好时 基本不反射信号 , 但匹配不好时将几乎 反射 全部 信号 , 因此反射信号就会出现 振幅的变化 , 类似于进行幅度调制。读写器接收到 调制的反射信号 从而判断电子标签的标识号来 进行识别。 段 签天线最简单的结构是偶极子天线 9，其平面图 如下所示： 第一章 绪论 5 图 1极子天线 偶极子天线具有辐射能力好、结构简单、效率高的优点 , 可以设计成适用于全方位通信的 统 , 被广泛应用于 签天线的设计 , 尤其是在远距离 统中。研究表明 ,偶极子天线可以通过选择合适的几何参数获得所需的输入阻抗 , 具有 频率覆盖宽、 增益高和噪声低 等 优点 , 性能出色 , 且 尺寸 与传统半波偶极子天线相比小很多 , 若配合铜焊电气端子和不平衡变压器 , 还能最大限度地提升增益、阻抗匹配和带宽 10。 在一般偶极子天线的基础上，研究人员对原有天线进行改进，设计出性能优化了的天线模型 11，如下图 1线实物： 图 1极子天线 此天线具有体积小，高带宽，易实现与芯片的阻抗匹配等优点。弯折的天线形状减小了天线的面积，采用两个辐射臂，实现了双频谐振，从而增加了天线的带宽，另外，这款天线在无需增加外部电路的条件下只需调整天线的长度从 而容易实现阻抗匹配。根据实际测量的结果，天线的带宽比一般的偶极子天线 (一倍，性能出众。 以上天线设计并没有考虑到标签天线与芯片的阻抗匹配问题，然而 签天线是直接与标签芯片连接，而芯片的阻抗是复阻抗并且呈容性，所以 签天线的设华南理工大学硕士学位论文 6 计不能像传统天线那样设计到于 50 欧姆同轴线匹配，阻抗匹配成为 线设计中首要考虑的问题。为了与芯片的复阻抗相匹配，标签天线的输入阻抗需要设计为芯片阻抗的共轭值，即是呈感性的复阻抗。根据市场上芯片的阻抗值，天线输入阻抗电阻值一般设 计到 10 到几十欧姆，而电抗值则设计到 100姆。基于此， 005 年提出了一种耦合馈电的标签天线 12，其优点是天线输入阻抗的实部跟虚部可以分开调节，调整耦合环与天线的距离可以改变天线的输入电阻而改变天线耦合环的大小可以调节天线的输入电抗同时不影响另一个参数，如图 1示。 (a) (b) 图 1 a） 天线模型与输入电阻随频率 变化 曲 线 （ b） 天线输入电抗随频率变化曲线 在 签天线设计中，除了要求实现阻抗匹配外，天线的小型化也是一个重要的研究方向，由于标签需要贴到不同大小的物体上，所以设计小型化并同时满足辐射效率的 签天线十分必要。学者 2008 年发表的关于 线设计的综述文章 13中详细介绍了几种实现天线小型化的方法，其中最流行的方法就是将天线辐射臂进行弯折从而实现小型化 。图 1示了几种不同的 签天线，其共同的特点都 是将天线辐射臂进行弯折，在满足阻抗匹配，辐射效率的同时减小天线 面积。 (a) (b) (c) (d) 图 1 a）等间距弯折天线 （ b）耦合馈电弯折天线（ c）多导体弯折天线（ d）螺旋弯折天线 第一章 绪论 7 （ 3） 双频 签天线 在 统中，有多个商用的频段，例如 915及 了设计出满足阻抗匹配以及小型化的 签天线，设计满足双频甚至多频的 签天线有很大的应用价值。 S. Y. J. 2006 年提出了一种双频 签天线如下图 1示14，天线能工作于 915 而此设计是基于 50 欧姆传输线，并没有考虑与芯片的阻抗匹配，因而需要外加匹配网络才能与芯片连接。 (a) (b) 图 1 a） 天线模型 （ b）天线 回波损耗随频率变化曲线 此外， 2008 年也提出了一种双频 签天线如下图 1 示 15，此天线跟上面天线一样，没有考虑到阻抗匹配，故需要外加匹配网络进行与芯片的连接，实际应用中比较复杂。 (a) (b) 图 1 a） 天线模型 （ b）天线 回波损耗随频率变化曲线 为了同时实现双频工作并且与芯片阻抗共轭匹配， T. 人在 08 年提出了一种可实现双频匹配的 签天线如下图 1示 16， 华南理工大学硕士学位论文 8 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 （ 4）其他 签天线研究 偶极子天线因为它简单的结构和低廉的造价，在 统中广泛应用，然而，它却存在着一个严重的不足，其雷达散射参数（ 17不是等方向的，雷达散射参数 (反映标签天线反射电磁波能 力的大小，试想，如果标签天线的 是等方向的，那么标签在某一个特定的角度 值会变得很低，从而不能将电波反射到读写器上，使得该标签不能被系统检测出来，产生错误，而在某些场合，这种错误将导致严重的后果。鉴于以上考虑，研究人员设计了一种等方向 标签天线 18，克服了上述问题，其结构如下： (a) (b) 图 1a） 天线模型 （ b）天线 实物 此款天线集成度高，面积 只有（ 40*46由于采用了电感耦合馈线，容易实现标签天线与芯片的阻抗匹配。根据实际测量，其不同角度 大值与最小值仅相差第一章 绪论 9 见其 式近似于等方向，实际数据如下： 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 这款 签天线较普通偶极子天线有着很大的改善，可以避免在实际应用中由于标签角度变化而造成的漏读，增加了 统的稳定性。 电磁波在空间的传播是一个十分复杂的过程，周围不同材料的物体对电磁波的传播影响很大，例如，如果将常见的偶极子折合标签天线贴附在金 属物体的表面，天线的性能会受到严重的影响，甚至无法工作 19。当金属靠近天线时内部会产生涡流 , 同时吸收电磁场能量转换为 自身的电场能 , 因此削弱 了原有 电磁场 的总能量。这种涡流 同时会产生 感应磁场 , 其 磁力线垂直于金属表面 , 方向与电磁 场强相反 ， 使射频场强的分布在金属表面发生 形变 , 磁力线 在很近的区域 甚至平行 于 金属表面 , 如图 1示 ， 因此当标签非常接近金属表面时 , 实际在该空间内 并无 电磁场 分布 , 标签天线 不能切割磁力线获得 能量 , 因此 签无法正常工作。 为了解决上述问题，现实中可行的 方案有以下 3 种 20： 一， 使用 空气或 泡沫 隔板 将 金属 与标签分离 ，使 之间 有一小段距离间隔 二， 标签下层垫上 一种高导磁率 材料，以 解决天线 失谐问题 三， 采 用旗状标签 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 华南理工大学硕士学位论文 10 以上方案虽然能够消除金属物体对标签天线的影响，但是其有结构复杂，基垫厚等缺点，下 面这种天线的提出，很好地解决了上述问题 21： 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 这种微带标签天线结构简单，面积少且厚度薄，在不增加外部电路的情况下容易实现与芯片的阻抗匹配，实验证明此种天线可贴附于金属物体的表面，不对系统产生严重影响。 综上所述， 签天线在不同频段，不同应用场合都有着独特的结构形式，目前进行的大量研究已经解决了标签天线在 统中的很多问 题，但是仍然存在很多的难点和挑战，需要继续投入大量的研究，使天线的性能得到最大的优化，并能适用于不同的应用场合，保证 统安全，稳定的运转。 极化四臂螺旋天线的研究 进展 四臂螺旋天线（ 在 1968 年 由 美国 出的，之后进行了深入研究。该天线 具备心型方向图、高 前后比及 良好 的圆极化特性，被广泛用于卫星通信系统，尤其被认为是理想的全球定位系统（ 北斗卫星通讯系统（ 以及 卫星手机接收天线 等 22。 （ 1） 单频圆极化四臂螺旋天线 根据上文所述， 早在在 1968 年， 士 就对正交馈电四 臂 螺旋天线进行了研究 23, 24。 1975 年， 出了 在 多种应用 下如果 选择和设计四 臂 螺旋天线 的图表 ，有助于实现 满足实际工程需求 的辐射方向 图 25。 1990 年， . 用矩量法对四臂螺旋天线的 幅度特性 和 相位性能 进行了详细分析，认为谐振型第一章 绪论 11 四 臂 螺旋天线非常适用于 用 26。 到了 2001 年， 出了一种 介质加载四臂 螺旋天线（ ，该天线能工作在 段上 27，如图 1通过对螺旋天线的四个螺旋臂馈以等振幅，相位相差 90 度的信号，可以 得到宽 波瓣宽度 的圆极化辐射 特性 。 该天线的四根螺旋臂缠绕在一块高介电常数的介质柱上，简称介质加载。通过加载介质，大部分介质能量被耦合到介质内，不但减小了尺寸，还减小了外界对天线的影响。 同时该天线还应用了 巴伦 (计， 达到了 馈 电平衡 ，不但 更加减小 人体 环境 的影响，还 隔离 了周围的电磁波 ， 使得 各种 不同 功能 的天线可以并存于空间 不会互相干扰。 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 上述天线采用自相移来实现相差 90 度的信号，自相移方法天线结构紧凑，不需要使用外部馈电网络而适合用于便携式移动终端。但由于两个螺旋天线的谐振频率分别高于和低于中心频率，因此在中心频率点可以得到最小的轴比，但反射并不是最小，也就是说，自相移方法导致回波损耗（ 小频率点与轴比（ 小频率点不能重合。并且，自相移方法很 难实现宽带圆极化特性。 为了实现宽带圆极化特性，需要采用馈电网络来对四臂螺旋天线进行馈电，沈仁强等人在 2007 年提出了一种采用馈电网络进行馈电的圆锥印刷四臂螺旋天线 28，如下图1示。由于采用圆锥螺旋，实现了波束宽度大于 180 度 的宽波瓣方向图和良好的圆极化 特性。并 采用 了微带电桥馈电， 实现等幅和相位相差 90 度 的馈电 , 而且 由于 该馈电 方法可以是实现 环路相消 , 所以很容易 与 508 或 758 同轴线 相 匹配。然而，在下图中我们看到，天线的馈电网络面积太大，很难与螺旋天线集成，造成了此设计的应用局限。 华南理工大学硕士学位论文 12 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 为了实现馈电网络与螺旋天线体的良好集成，谢拥军等人在 2010 年提出了一种过采用柱面共形结构的馈电网络馈电的的宽带印刷角锥四臂螺旋天线 29如下图 1与传统四臂螺旋天线相比极大地减小了地板安装面积及改善了阻抗带宽和轴比带宽 ，该天线的四条螺旋臂 成卷锥形状 印刷在很薄的 柔软 介质板上。 3 个 T 型微带线 功分器 网络 组成了天线的馈电网络 ,使得 四个螺旋臂的 相位依次相差 90 度。由于馈电网络 采用 了 与 柱面共形 的 结构 ， 天线地板尺寸 大大减小。天线的阻抗 和轴比带宽 分别 达到 620350线具有 很好的右旋圆极化增益及宽波瓣宽度 特性 图 1实现双频匹配的 签天线结构及参数 此外，为了实现馈电网络与天线的集成，褚庆昕老师和刘沙， 杜述 师兄提出一种新型功分相移网络馈电的宽带圆极化四臂螺旋天线如图 1示 30。馈电网络采用平行双线到微带线转变，将两个传统平面微带 分器共地板背靠背堆叠在一起，如图 11 所示，从上下两个功分器输出的信号幅度相等，相位差相差 180 度。再将功分第一章 绪论 13 器输出的信号经过 90 度相移网络，则 1、 2、 3 和 4 端口输出的信号幅度相等，相位分别为 0。、 90。、 180。和 270。，如图 1b)。将四个端口分别对传统四臂螺旋馈电，则可以实现宽带圆极化特性。 图 1型功分相移 网络馈电的宽带圆极化四臂螺旋天线 (a) (b) 图 1型功分相移馈电网络 （ a）正视图， (b) 俯视图 （ 2） 多频圆极化四臂螺旋天线 随着 广泛应用 以及 快速发展 ，为了 实现多频段覆盖 ，一些双频甚至三频圆极化 四臂 螺旋天线开始研究和提出。 在文献 31跟 专利 32中， 频 四臂螺旋天线被 出 ，该天线能工作在 575 227 频并且具有较好的圆极化特性 。其结构如 下图 12 所示。天线由四根单臂 螺旋组成，每个螺旋臂的长度大概为一个波长，与 低频 对应。 馈电 端在螺旋顶部， 分别 馈以 以相位为 0， 90， 180， 270 度的信号 。 如下华南理工大学硕士学位论文 14 图中的 112 所示，螺旋辐射体上开 有一个 槽，将金属螺旋线分割 为上下两部分， 之后在其中加入 一个 由 集总元件构成的 联回路 相连 金属螺旋线。此谐振回路相当 一个开关， 可以 选择 合适的 L 跟 C 的值使其谐振在 高频段 ，因此在高频段 其电阻无穷大，相当于开路。 然而 在 频段 电阻很小， 调 节螺旋线的长度可以使金属 线的上下短路相连。因此，整根金属螺旋线在低频 振， 而 螺旋线的上部分在高频段 此实现了双频 。 文献 33, 34中， 另一种双频结构八臂螺旋天线 被提出 。 工作在两个不同频段的四臂螺旋天线从里到外 共轴放置在一起 ，由里面的螺旋天线对外面的天线进行耦合馈电，实 现双频。结构 如图 1示。 图 1双频 线 图 1臂螺旋天线 在以上工作的基础上，褚老师跟刘沙师兄于 2008 年提出了一种介质加载八臂螺旋天线 (下图 1示 35。八根螺旋臂绕在一个高介电常数的介质柱上 组成 辐 射主体 。天线 从顶部馈电 ， 同轴线 穿过介质柱的轴心。 套筒巴伦 位于介质柱的底部 ， 顶端与螺旋臂底部 连接。 此天线可以看做由两个共 轴 四臂螺旋天线 成。其中， 作于北斗 上行 1620 段， 作于 1 1575 第一章 绪论 15 图 1质加载八臂螺旋天线 此外，褚老师跟刘沙师兄还提出了一种层叠式双频介质加载螺旋天线如下图 136。此 天线可以看 作 是由两个四臂螺旋天线 下 共轴 叠层组合而成。 巴伦下部 插入到 顶部。由一根从介质柱的轴心穿过同轴线从顶部对天线进行馈电， 螺旋线 在其顶端面 顶端边缘处与螺旋线 短接。 作 于 频率较高的 1 频段， 但 作于频率较低的 2 频段。 图 1叠式双频介质加载螺旋天线 王晓飞在 2007 年设计了一种用于 斗的双频接收天线 37。通过将两个四分之三圈，长度为四分之 三个波长的四臂螺旋天线以共轴但不同半径的方式组合在一起，其华南理工大学硕士学位论文 16 结构如图 1示。内螺旋工作于 1 频段，外螺旋工作于北斗的 段。对外、内螺旋分别采用一分四馈电网络和微带巴伦结构对其进行馈电，实现了对四个螺旋臂的等幅，相位 0， 90， 180， 270馈电，且阻抗匹配良好，满足了卫星导航系统的双频工作要求。在要求频段内：驻波比 5以上仰角增益 1.5 155， 10以上仰角轴比 5 天线可作为地面移动站天线使用。 图 13/4 波长封闭式双频螺旋天线 除了上述双频螺旋天线，褚老师跟刘沙师兄还提出了一种层叠式三频介质加载螺旋天线如下图 1示 38，该天线可以看 为由 介质加载 的 四臂螺旋天线（ 介质加载八臂螺旋天线（ 组成，两个天线 上下 同轴 叠层组合而成。 巴伦下部 插入到 部。 馈电段在顶部，馈电同轴线 从介质柱的轴心穿过， 螺旋线 与 短接。 频率较高的 1 频段，而 工作于频率较低的 2 和 频段。 图 1叠式三频介质加载螺旋天线结构图 1绪论 17 论文的 写作安排 及 主要工作 文的写作安排 本文首先 介绍 了 统跟 标签天线设计中的两个重要问题：阻抗匹配以及小型化。 在此基础上 分析 了几种标签天线的结构跟实现方式， 列举了近年来 签天线的主要研究进展。接着，概述了北斗卫星系统的原理跟圆极化四臂螺旋天线的基本知识。分析了近年来四臂螺旋天线的研究成果。 然后， 针对 复 阻抗匹配 双频 签 天线， 签天线的雷达散射截面分析以及应用在北斗系统的组合四臂螺旋天线这几个方面 方向开展了研究。全书分为 五 章，各章内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了 研究 签 天线 及 圆极化四臂螺旋天线 的重要性及其意义，并介绍了论文的研究背景和国内外的研究现状； 第二章为相关的 基础理论，介绍了 天线的基础理论， 以及 天线 圆极化的基本理论跟四臂螺旋天线的工作机理。 为 本文 研究工作 提供理论基础。 第三章为 签 天线的研究 。 首先介绍了一种复阻抗匹配双频 签天线的设计方法跟实验结果；接着通 过对标签天线雷达散射截面（ 分析，提出了一种标签天线的 最大 值 设计方法，跟传统的匹配设计方法相比，提高了标签天线两个工作状态下雷达散射截面差 ，提高了系统的稳定性。 第 四