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】設計了一種雙頻自相移式四臂螺旋天線模型，并進行了加工，結合仿真與實驗分析了該天線的阻抗、增益、方向性等參數。仿真結果與實驗結果具有較好的一致性，該天線主瓣波束寬度可以達到160°，且旁瓣很小。另外，該四臂螺旋天線在大仰角范圍內具有良好的右旋圓極化性能。天線可以進行從1.2 GHz和1.8 GHz雙頻通信，各個頻段的帶寬約為60 MHz。

【關鍵詞】四臂螺旋天線；可控性；北斗

中圖分類號： U665 文獻標識碼： 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，也促進了船載天線的不斷發展。首先，BDS/GPS[1]系統天線需要圓極化，在抗干擾，抗多徑或者多路復用有一定優勢。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。當入射波遇到反射體（如船體和海平面）反射時，而且當入射角小于Brewster角[2，3]時，圓極化波的旋向具有正交性，如右旋圓極化波經反射改變成左旋圓極化。與車載BDS/GPS系統天線不同，船舶在航行過程中處于非平穩航行狀態，這種狀態在大風浪天氣條件下尤為嚴重。經過仿真與實驗探索，建立了自相移式BDS/GPS四臂螺旋天線。為實現BDS與GPS兼容，提高船載定位系統定位精度提供參考。

1 天線模型與結構

本文所設計的類型的天線不需要饋電網絡，僅通過四個振子之間的相位差來實現天線圓極化。圖1是所設計的自相移式四臂螺旋天線單元。該天線四個螺旋陣子分為兩組，每組兩個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與同軸線內導體相連，3和4與同軸線外導體相連接。因為同軸線的內、外導體電流方向相反，相位差相差180°，所以四臂螺旋天線相鄰兩個振子之間的相位差均相差90°[4]。

如圖2所示，該可調式巴倫不僅能夠調節同軸線內外導體電流平衡，也可以通過調節可調巴倫上的滑動環實現天線阻抗與極化調控。另外，天線頂上的饋電帶條在一定程度上充當了頂負載的角色，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絡，而寬帶匹配網絡的橫向尺寸較大。天線的可調式巴倫設置在空心樹脂內部，可調節位于可調式巴倫中心的活動環來調節天線頻帶和圓極化特性。圖3為HFSS天線模型。

2 結果與分析

2.1 阻抗特性

所構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。天線回撥損耗測試結果如圖4所示，從網絡分析儀屏幕中可以看到，該天線S11在1.22和1.57GHz兩個頻點上的值均小于-15dB，且每個頻點的頻帶寬度約60MHz，其中在1.22GHz上的回波損耗小于-20dB，在1.57GHz上也接近-20dB，此時可調式巴倫中的滑動環距離天線頂端22 mm。這說明該天線適用于北斗二代、GPS頻帶范圍[5]。利用有限元為基礎的HFSS對天線陣列進行仿真，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，與實驗結果相近，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°。可見，由于四臂螺旋天線頂負載的作用，天線的波束寬度比常規四臂螺旋天線更寬。由于頂端負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上空空間，當調節可調式巴倫和天線振子長度時，天線的方向性發生變化，可調節天線的最大增益朝向頂端。另外，在施加扼流圈時，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。當旋轉頂負載時，可改變天線旋向，調控左右旋圓極化。

3 結論

常規微帶、四臂螺旋天線的仰角指標很難滿足要求。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，則高仰角增益會大幅度降低，在設計起來得不償失。本文所研制的可重構自相移式四臂螺旋天線，通過可調式巴倫和拉桿式螺旋天線，可以實現天線頻帶、增益甚至極化重構。通過頂端十字交叉帶條對電流的擾動，及與反射面的相互作用，可以在提升低仰角增益的同時，也能維持高仰角增益，既可以作為BDS/GPS定位導航系統的天線，也能夠作為信號多路復用的左旋圓極化天線。

【參考文獻】

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

[2]褚慶昕，藺煒，林偉鑫，等.電子學報，2013，41（4）：722-726.

[3]吳學睿，李穎.GNSS-R陸面遙感中反射信號的極化特性研究[J].地球科學進展，2012，27（8）：895-900.

[4]Chu Q X，Lin W，Lin W X et al.IEEE Transaction on antennas and propagation，2013，261（2）：516-523.

[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