一種船用BDS/GPS雙頻四臂螺旋天線

宋璐　常勇猛　丁思宇　王宇昊　趙建森

【摘 要】設(shè)計(jì)了一種雙頻自相移式四臂螺旋天線模型，并進(jìn)行了加工，結(jié)合仿真與實(shí)驗(yàn)分析了該天線的阻抗、增益、方向性等參數(shù)。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，該天線主瓣波束寬度可以達(dá)到160°，且旁瓣很小。另外，該四臂螺旋天線在大仰角范圍內(nèi)具有良好的右旋圓極化性能。天線可以進(jìn)行從1.2 GHz和1.8 GHz雙頻通信，各個(gè)頻段的帶寬約為60 MHz。

【關(guān)鍵詞】四臂螺旋天線；可控性；北斗

中圖分類號： U665 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）26-0016-002

A Marine BDS / GPS Dual Frequency Four-armed Helical Antenna

SONG Lu CHANG Yong-meng DING Si-yu WANG Yu-hao ZHAO Jian-sen

（Merchant Shipping School，Shanghai Maritime University，Shanghai 201306，China）

【Abstract】A dual-frequency self-phase shifting quadrifilar helix antenna model is designed and processed.The impedance，gain，directivity and other parameters of the antenna are analyzed by simulation and experiment.The simulation results are in good agreement with the experimental results.The beam width of the main lobe of the antenna can reach 160° and the side lobe is small.In addition，the quadrifilar helical antenna has good right-handed circular polarization performance at a wide range of elevation angles.Antennas can perform dual-band communications from 1.2 GHz and 1.8 GHz with bandwidths of approximately 60 MHz in each band.

【Key words】Four-arm helical antenna；Controllability；Beidou

0 引言

船用BDS/GPS終端在不斷完善的同時(shí)，也促進(jìn)了船載天線的不斷發(fā)展。首先，BDS/GPS[1]系統(tǒng)天線需要圓極化，在抗干擾，抗多徑或者多路復(fù)用有一定優(yōu)勢。圓極化天線可以收到多種極化模式的信號，如水平極化、垂直極化等。當(dāng)入射波遇到反射體（如船體和海平面）反射時(shí)，而且當(dāng)入射角小于Brewster角[2，3]時(shí)，圓極化波的旋向具有正交性，如右旋圓極化波經(jīng)反射改變成左旋圓極化。與車載BDS/GPS系統(tǒng)天線不同，船舶在航行過程中處于非平穩(wěn)航行狀態(tài)，這種狀態(tài)在大風(fēng)浪天氣條件下尤為嚴(yán)重。經(jīng)過仿真與實(shí)驗(yàn)探索，建立了自相移式BDS/GPS四臂螺旋天線。為實(shí)現(xiàn)BDS與GPS兼容，提高船載定位系統(tǒng)定位精度提供參考。

1 天線模型與結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的類型的天線不需要饋電網(wǎng)絡(luò)，僅通過四個(gè)振子之間的相位差來實(shí)現(xiàn)天線圓極化。圖1是所設(shè)計(jì)的自相移式四臂螺旋天線單元。該天線四個(gè)螺旋陣子分為兩組，每組兩個(gè)相鄰螺旋陣子兩連接。如圖1中的振子1和振子2為一組，振子3和振子4為另一組，其中1和3長度相等，2和4長度相等。而1和2長度相差四分之一波長。振子1和2與同軸線內(nèi)導(dǎo)體相連，3和4與同軸線外導(dǎo)體相連接。因?yàn)橥S線的內(nèi)、外導(dǎo)體電流方向相反，相位差相差180°，所以四臂螺旋天線相鄰兩個(gè)振子之間的相位差均相差90°[4]。

如圖2所示，該可調(diào)式巴倫不僅能夠調(diào)節(jié)同軸線內(nèi)外導(dǎo)體電流平衡，也可以通過調(diào)節(jié)可調(diào)巴倫上的滑動(dòng)環(huán)實(shí)現(xiàn)天線阻抗與極化調(diào)控。另外，天線頂上的饋電帶條在一定程度上充當(dāng)了頂負(fù)載的角色，它的存在使得天線方向圖主瓣波束寬度變得更寬。采用自相移式四臂螺旋天線陣元的目的是該類型的天線少了寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)，而寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)的橫向尺寸較大。天線的可調(diào)式巴倫設(shè)置在空心樹脂內(nèi)部，可調(diào)節(jié)位于可調(diào)式巴倫中心的活動(dòng)環(huán)來調(diào)節(jié)天線頻帶和圓極化特性。圖3為HFSS天線模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 阻抗特性

所構(gòu)建的四臂螺旋天線陣列尺寸如下：四臂螺旋天線HFSS模型，采用理想邊界，四臂螺旋天線縱向長度為640mm，螺旋長振子總長度為812mm，短振子總長度726mm，振子與水平面夾角為52°，天線單元直徑為20mm，螺旋振子條寬度為2mm。天線回?fù)軗p耗測試結(jié)果如圖4所示，從網(wǎng)絡(luò)分析儀屏幕中可以看到，該天線S11在1.22和1.57GHz兩個(gè)頻點(diǎn)上的值均小于-15dB，且每個(gè)頻點(diǎn)的頻帶寬度約60MHz，其中在1.22GHz上的回波損耗小于-20dB，在1.57GHz上也接近-20dB，此時(shí)可調(diào)式巴倫中的滑動(dòng)環(huán)距離天線頂端22 mm。這說明該天線適用于北斗二代、GPS頻帶范圍[5]。利用有限元為基礎(chǔ)的HFSS對天線陣列進(jìn)行仿真，模擬范圍從1.0-2.0GHz。從圖5中的天線仿真值中可以看出，天線在1-2GHz波段中具有雙頻特性，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，中心頻率分別在1.27 GHz和1.54 GHz。

2.2 方向性

四臂螺旋天線單元的方向圖如圖6所示，天線正向輻射最大值為4.4dB，在10°仰角處天線的增益為1.4dB，主瓣半功率波束寬度約為160°?？梢?，由于四臂螺旋天線頂負(fù)載的作用，天線的波束寬度比常規(guī)四臂螺旋天線更寬。由于頂端負(fù)載和天線底座反射面的相互作用，輻射方向的最大值并不是指向垂直方向，天線垂直方向的增益約為2.3dB，在50°仰角附近，天線增益最高（4.4dB）。因此，該天線可以覆蓋整個(gè)上空空間，當(dāng)調(diào)節(jié)可調(diào)式巴倫和天線振子長度時(shí)，天線的方向性發(fā)生變化，可調(diào)節(jié)天線的最大增益朝向頂端。另外，在施加扼流圈時(shí)，天線的波束寬度降低為153°左右，盡管如此，仍然具有較高的低仰角增益。當(dāng)旋轉(zhuǎn)頂負(fù)載時(shí)，可改變天線旋向，調(diào)控左右旋圓極化。

3 結(jié)論

常規(guī)微帶、四臂螺旋天線的仰角指標(biāo)很難滿足要求。即使是增加四臂螺旋天線剖面，天線的輻射方向圖趨向于偶極子方向圖，則高仰角增益會(huì)大幅度降低，在設(shè)計(jì)起來得不償失。本文所研制的可重構(gòu)自相移式四臂螺旋天線，通過可調(diào)式巴倫和拉桿式螺旋天線，可以實(shí)現(xiàn)天線頻帶、增益甚至極化重構(gòu)。通過頂端十字交叉帶條對電流的擾動(dòng)，及與反射面的相互作用，可以在提升低仰角增益的同時(shí)，也能維持高仰角增益，既可以作為BDS/GPS定位導(dǎo)航系統(tǒng)的天線，也能夠作為信號多路復(fù)用的左旋圓極化天線。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Y.Dae-Geun，K.Kyung-Soo，J Eun-Seok，K.Che-Young， Proc.ISAP，Kaohsiung，Taiwan，Dec.2-5，2014.

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[5]Takacs，A.，Aubert，H.，Belot，D.，and Diez，H.2013.“Miniaturisation of Quadrifilar Helical Antenna：Impact on Efficiency and Phase Centre Position.” IET Microw. Antenna Propag.7（3）：202-7.endprint