基于3D打印阶梯背腔结构的高性能GNSS天线及阵列创新设计

《ARABIAN JOURNAL FOR SCIENCE AND ENGINEERING》：A Novel GNSS Antenna and Array Design with 3D-Printed Stepped Backed Cavity

近年来，3D打印技术因成本低、重量轻、易加工等优势被广泛应用于射频元件与天线制造。本文由研究人员提出一种采用FR4与PLA材料的高增益螺旋天线，针对GNSS频段优化设计。通过阿基米德螺旋结构与λ/4空气层反射器，实现良好圆极化与轴比特性。创新圆锥形结构平衡频带内电长度差异，使天线增益较同类设计提升3dB，PLA材料有效降低耦合效应，使阵列单元间距缩小35mm。天线增益达5.9-6.2dBic，轴比1.8-2.2dB，阵列半功率波束宽度36°，实现增益11dBic，彰显3D打印技术在高性能紧凑天线领域的应用潜力。

　　

近年来，利用3D打印技术制造射频（RF）元件与天线的应用显著增长，这归功于其成本效益高、重量轻和易于成型的优势。本文展示了一款采用FR4（环氧玻璃布层压板）和PLA（聚乳酸）材料设计的高增益螺旋天线，专为全球导航卫星系统（GNSS）频段应用优化。该天线采用阿基米德螺旋结构，并配置带有66毫米空气间隙的反射器——约等于GNSS频段低频处的四分之一波长（λ/4），以确保良好的圆极化（Circular Polarization）和轴比（Axial Ratio）性能。设计创新性地引入圆锥形结构，以平衡频带内的电长度差异，从而提升整体性能。研究结果表明，该天线增益较文献中类似设计高出3分贝（dB）。此外，PLA材料的应用有效降低了耦合效应，使得天线单元在阵列配置中可缩短35毫米间距。在目标频段内，天线增益最低为5.9dBic（分贝圆极化增益），最高达6.2dBic；轴比最低为1.8dB，最高为2.2dB。这些发现凸显了3D打印技术在开发高性能、小型化天线用于先进通信系统的潜力。进一步地，研究人员利用单个天线单元构建了天线阵列。该阵列实现了预期性能：半功率波束宽度（Half-Power Beamwidth）为36°，实际增益（Realized Gain）达到11dBic。