AIS二元八木天線陣列

展菲　孫玉強　丁瀟飛　楊建紅　王曉琪

【摘 要】AIS基站天線通信距離及覆蓋區(qū)域難以根據(jù)交通密度進行調(diào)控等問題一直困擾著各沿海船舶交管中心（VTS）。針對上述問題，設(shè)計了AIS基站可控式二元八木天線陣列，并對該天線進行大量實驗和仿真。通過實驗發(fā)現(xiàn)，天線陣在天氣良好條件下的最大通信距離可達50海里以上。且天線覆蓋區(qū)域可以快速變換，進而監(jiān)控區(qū)域可以動態(tài)調(diào)整。該天線陣既可以作為AIS基站天線，也可以作為衛(wèi)星基站天線。

【關(guān)鍵詞】AIS基站；八木天線陣；可控式天線；方向圖

中圖分類號： U675.7 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）30-0184-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.081

AIS Binary Yagi Antenna Array

ZHAN Fei SUN Yu-qiang DING Xiao-fei YANG Jian-hong WANG Xiao-qi

（Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

【Abstract】The communication distance and coverage area of the antenna of the AIS basic station is difficult to adjust and control according to traffic density.This question has been troubling the Coastal Ship Traffic Control Center （VTS）. To solve the question above ，AIS binary yagi antenna array has been designed， and a lot of simulations and experiments have been done. It turns out that the maximum communication distance of the antenna array in good weather is more than 50 nautical miles. And the coverage area of the antenna can change rapidly， so that the monitoring areas can be dynamically adjusted. The antenna array not only can be the AIS basic station antenna， but also can be the satellite base station antenna.

【Key words】AIS basic station； Yagi antenna array； Controllability； Directional diagram

0 引言

目前在AIS基站使用的天線大多是全向天線，由于全向天線增益較小，有效的作用距離約為30海里，信號接收范圍為360度全方位，為解決此問題，八木天線的構(gòu)想被提出，隨后得到了廣泛的應(yīng)用，隨著技術(shù)的進步，其中存在的問題一步步顯現(xiàn)出來。由此，經(jīng)過仿真和大量實驗探索，建立了旋轉(zhuǎn)可控式岸基AIS八木天線陣列。旋轉(zhuǎn)可控式岸基AIS八木天線陣列將定向天線和全向天線作了一個結(jié)合，以彌補各自的不足，能做到有效地接收信號。既實現(xiàn)信息廣播，也可以實現(xiàn)區(qū)域性信息播發(fā)，降低時隙沖突。

1 天線模型與結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的旋轉(zhuǎn)可控式岸基AIS八木天線陣列如圖1所示，天線陣由兩個八木天線組成，每個八木天線由一個反射陣面，半波折合有源振子和十余個雙排振子天線陣組成。其主軸可以通過電控調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而帶動兩天線元進行旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，兩天線既可以保持平行狀態(tài)同時旋轉(zhuǎn)（同步旋轉(zhuǎn)），又能夠沿著自己的主軸各自旋轉(zhuǎn)（異步旋轉(zhuǎn)）。天線的伸縮拉桿兩端各連接一個天線陣元，連接點處有轉(zhuǎn)軸，帶動每個天線陣元旋轉(zhuǎn)。當(dāng)兩八木天線平行時，天線增益理論上最大，當(dāng)天各自旋轉(zhuǎn)時，可以動態(tài)控制天線旋轉(zhuǎn)而調(diào)節(jié)天線陣列的覆蓋區(qū)域。這樣，可以實現(xiàn)對船舶的跟蹤和遠距離船舶的AIS數(shù)據(jù)獲取。

圖2所示的是八木天線陣列的仿真示意圖，所用仿真軟件是基于有限元算法的HFSS，天線的有源振子用半波對稱振子來代替，天線的無源引向振子數(shù)目可以調(diào)整，同時天線陣中的兩八木天線角度也可以動態(tài)調(diào)節(jié)。天線仿真的空間為理想輻射空間，邊界為理想吸收邊界。天線材料設(shè)置為鋁，反射振子長度為0.52，半波有源振子長度為0.5，各個引向振子長度均為0.44。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)天線陣工作原理，振子之間的距離遠近與振子之間耦合密切相關(guān)，因此天線陣元間的距離必定影響輻射特性。圖3所示為天線陣元間距分別為 /2，3/4，和時的二元八木天線陣列回波損耗特性。在試驗和理論仿真中，兩天線設(shè)置為平行，每個天線陣元中的無源反射振子數(shù)為3個。可以看出，天線理論仿真和實驗測試結(jié)果相差不大，而且功分器輸入端口的回波損耗隨天線陣元間距變化也不大。諧振頻率在162MHz時，天線的回波損耗在-20dB左右，天線駐波比在1.2以下，具有相當(dāng)好的阻抗特性。這就證明，兩天線陣元的動態(tài)調(diào)控對天線反射特性影響不大。在對天線進行水平區(qū)域調(diào)控時，得出它的正面功率在14db左右，反向接收功率在-8db左右。

天線陣列同一元八木天線比較如圖4所示，天線方向圖為歸一化方向圖，可以看出二元八木天線陣列在平行時，天線增益比單一八木天線大近3dB，通信距離要遠很多，而單一八木天線的通信距離相對較近。經(jīng)測試，單一八木天線通信距離在30-40海里左右，二元天線陣平行時，天線通信距離在60海里以上。

3 結(jié)論

可控式二元八木天線陣結(jié)合了定向性八木天線和全向性八木天線的優(yōu)勢，在各個方面都將天線的作用提升了很大的高度。它通過一個電控裝置將天線陣實現(xiàn)在角度和速度實時轉(zhuǎn)換，改善不同情況下接收信號不良的狀況，并且可控式八木天線陣可以對波數(shù)進行調(diào)控，從而改變天線的覆蓋范圍區(qū)域，以及對船舶實施有效的監(jiān)控。通過動態(tài)調(diào)控天線性能，可以實現(xiàn)船舶跟蹤，避免時隙沖突，增加通信距離。可控式二元八木天線陣可在海事局VTS的VHF基站、國內(nèi)甚至全球推廣，并且不僅局限于VHF岸站，在船上也可得到應(yīng)用。

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