针对卫星导航终端对高灵敏度、抗多径干扰、小型化及低成本的综合需求，本文提出一种适用于 GPS / 北斗多系统兼容的四臂螺旋天线设计方案。基于环偶极子辐射理论，优化天线结构参数与馈电网络，采用印刷电路工艺与低成本材料实现工程化应用。仿真与实测结果表明，该天线覆盖 1559-1610MHz 频段，电压驻波比（VSWR）<1.5，天顶增益> 2dBic，20° 低仰角增益 >-3dBic，轴比 < 3dB，满足 GPS L1 / 北斗 B1 等主流频段需求，制造成本较传统方案降低 60% 以上，可广泛应用于车载定位、无人机导航等场景。

随着北斗三代系统全面部署与 GPS 现代化推进，导航终端对天线提出 “高灵敏度接收、全空域覆盖、抗多径干扰、多系统兼容” 四大核心要求。四臂螺旋天线因独特优势成为优选方案：其一，圆极化特性与卫星信号天然匹配，减少极化失配损耗；其二，半球形辐射模式无需依赖地平面，实现 360° 空域覆盖；其三，低仰角增益优异，有效抑制地面多径干扰；其四，结构紧凑易集成，适配小型化终端需求。

突破传统四臂螺旋天线 “高性能与高成本” 的矛盾，实现三大目标：① 电气性能达标：覆盖 GPS / 北斗核心频段，满足高灵敏度指标；② 低成本实现：通过材料选型与工艺优化降低制造成本；③ 工程化适配：符合 IP67 防护、-40~+85℃工作温度等环境要求。

四臂螺旋天线可等效为两个正交的双螺旋天线组合，其辐射基于环偶极子模型：通过控制四臂激励电流的幅度与相位（依次相差 90°），在空间形成旋转电场，从而实现右旋圆极化（RHCP）辐射，与卫星导航信号极化方式完全匹配。远场辐射场可表示为：

\(E(\theta,\phi)=\sum_{n=1}^4 I_n \cdot E_n(\theta,\phi)\)

其中\(I_n\)为第 n 臂激励电流，\(E_n(\theta,\phi)\)为单臂单元方向图函数，需满足等幅条件\(|I_1|=|I_2|=|I_3|=|I_4|\)及相位关系\(∠I_1:∠I_2:∠I_3:∠I_4=0°:90°:180°:270°\)。

结合 GPS / 北斗多系统兼容需求，确定核心指标如下：

综合 GPS L1（1575.42 MHz）、北斗 B1（1561.098 MHz）、GLONASS L1（1602 MHz）频段，选取中心频率\(f_0=1580\) MHz，对应自由空间波长\(\lambda=c/f_0≈190\) mm（\(c=3×10^8\) m/s）。

• 臂长计算：四臂螺旋天线臂长近似为\(\lambda/4\)，考虑介质基板影响，实际设计为\(L=45\) mm（修正系数 0.95）；

• 螺旋直径：兼顾带宽与小型化，取\(D=0.2\lambda≈38\) mm，较大直径可拓展阻抗带宽但需控制尺寸冗余；

• 匝数选择：采用 0.8 圈设计，平衡宽波束特性与轴向长度，轴向高度\(H=35\) mm，满足\(H/D≈0.92\)的**比例关系。

四臂需等幅、90° 相位递进激励，采用两级威尔金森功分器构成 3dB 电桥实现馈电网络：

馈电网络需满足 S 参数约束：\(|S_{21}|=|S_{31}|=|S_{41}|=|S_{51}|=-6\) dB，确保四臂激励幅度一致性误差 <±0.5 dB。

• 辐射体基板：选用 FR-4 环氧玻璃布覆铜板（\(\varepsilon_r=4.4\)，\(\tan\delta=0.02\)），成本仅为高频基板 RO4350B 的 1/5~1/10，通过参数优化补偿介电损耗影响；

• 辐射体金属：采用 1oz（35μm）电解铜，兼顾导电性与加工成本；

• 天线罩：选用抗紫外线 ABS+PC 复合材料，满足 IP67 防护等级，重量 < 20g，成本较金属外壳降低 70%。

• 平面化集成：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，通过标准 PCB 工艺实现，加工良率 > 98%，大幅降低机械加工成本；

• 一体化设计：将辐射体与馈电网络集成于单块 PCB，减少连接器与装配环节，降低连接损耗（<0.3 dB）与人工成本；

• 批量生产优化：采用 PCB 拼板设计（单拼板 12 个天线单元），模具复用率提升，单件制造成本降至传统方案的 35% 以下。

选用国产低噪放芯片（噪声系数 NF≤2.0 dB，增益 28±2 dB），采用两级滤波方案抑制带外干扰，工作电压 3.0~12.0 V，电流≤10 mA，成本较进口芯片降低 50%。

采用 HFSS 电磁仿真软件建模，核心结果如下：

• 阻抗特性：1559-1610 MHz 频段内 VSWR<1.5，阻抗匹配良好；

• 辐射特性：天顶增益 2.3 dBic，20° 仰角增益 - 2.7 dBic，3dB 轴比带宽 45 MHz；

• 相位中心：偏差 < 1.5 mm，满足高精度定位需求。

• 暗室测试：实测 3dB 波束宽度 150°，轴比≤2.8 dB，与仿真结果偏差 < 0.5 dB；

• 户外测试：在城市遮挡环境下，GPS / 北斗信号接收灵敏度≥-160 dBm，定位精度达亚米级（配合 RTK 可达毫米级）；

• 环境测试：通过 - 40~+85℃高低温循环、10-2000 Hz 振动测试，性能无衰减。

本文提出的 GPS / 北斗高灵敏度四臂螺旋天线，通过环偶极子理论优化与低成本工艺创新，实现了 “高性能 - 低成本 - 小型化” 的平衡。实测表明，天线完全满足多系统兼容需求，制造成本降低 60% 以上，重量 < 20g，尺寸 Φ40×55 mm，可广泛应用于车载导航、无人机、精准农业等领域。

未来可进一步拓展方向：① 多频段兼容设计，覆盖北斗 B3/GPS L5 频段；② 采用柔性基板实现 conformal 安装；③ 集成自适应抗干扰算法，提升复杂电磁环境下的稳定性。