船载海事卫星通信印刷四臂螺旋天线设计*

付世强 房少军 路 凯 王钟葆

(大连海事大学信息科学技术学院 大连 116026)

1 引言

INMARSAT国际海事卫星通信系统是远洋船舶必配的通信装备,它是全球海上遇险和安全系统所采用的一项重要的通信方式,我国几乎所有的远洋船舶都安装了INMARSAT卫星设备。船及人在航行中经常处于摇摆晃动之中,船体相对于地垂直线倾斜甚至可达±25°左右。在这种情况下,为保持通信不中断,则需要天线具有宽波束、圆极化的特性,使天线始终对准卫星。宽波束圆极化天线主要有:十字交叉倾斜振子、变形的微带方贴片及圆贴片、谐振式四臂螺旋天线等。其中谐振式四臂螺旋天线[1～2]可以通过选择适当的物理尺寸以形成不同的辐射方向图并且结构紧凑、不需要参考地、环境适应性强,而且在低仰角时,其增益和轴比性能也能满足系统要求,从而在卫星通信中获得了广泛的应用[3～4]。

近年来,印刷四臂螺旋天线由于其优良性能和容易加工的特点而越来越受到关注。文献[5]提出了应用于GPS接收机的印刷式四臂螺旋天线,即将螺旋臂印制在柔性基材上,然后将基材卷起放入圆柱形有机玻璃筒中形成天线。文献[6～8]阐述了将馈电网络与印刷式四臂螺旋天线相结合的思路,然而由于四臂螺旋天线本身的结构特点,导致馈电网络结构复杂,并且网络损耗较大。本文从海事卫星通信系统的要求出发,针对海上通信这一特殊环境,设计了一款集成馈电网络的谐振式印刷四臂螺旋天线结构。天线采用了新颖的馈电网络结构,有效减小了天线的尺寸和制作成本。

2 天线设计

Kilgus首次提出的四臂螺旋天线为谐振型天线,其结构如图1所示。天线由四根螺旋臂组成,每根螺旋臂长度为Mλ/4(M为整数);四根螺旋臂馈电端电流相等,相位两两相差 90°(分别为 0°,90°,180°和 270°);非馈电端开路(M为奇数时)或短路(M为偶数时);四个螺旋臂一般绕成N/4圈(N=1,2,3…)。天线的结构参数可由下式确定:

图1 谐振式四臂螺旋天线

式中:Lax为螺旋的轴向高度(mm),Lele为螺旋臂的长度(mm),D为螺旋的直径(mm),N为螺旋的圈数。A=1(M为奇数时),A=2(M为偶数时)。

设计四臂螺旋天线时,首先要确定其螺旋臂的长度Lele、螺旋的直径D和螺旋节距的升角α,从而得到预期的天线输入阻抗、增益和方向性。经过大量的计算机仿真分析发现:Lele决定天线的谐振频率,当Lele接近四分之一波长时,产生第一个谐振点。为了获得更好的上半空间覆盖,可以采用多个四分之波长,即增大M值;D影响天线的带宽,D值越大,带宽越大;α影响波瓣宽度,α值越大,波瓣宽度越宽,相应的低仰角增益越高。然而D与α相互制约,在保持Lele不变的情况下,D增大会导致α的减小,也就意味着,带宽增大同时,波瓣宽度变窄,因此需要折中考虑。一般情况下,当 0.25λ＜D＜0.46λ时,螺旋天线工作在轴向模式,即最大辐射方向在螺旋轴线方向;当D进一步增大时,螺旋天线方向性变为圆锥形。

本文设计的天线结构如图2所示。将四根等宽等长的铜箔带条按照一定的轨迹印制在柔软薄介质板上,如图2(a)所示。然后绕成一定尺寸的圆柱体,这样就构成了天线辐射体。天线四个臂的绕向与最大辐射方向形成左手关系从而产生右旋圆极化辐射方向性。四根螺旋臂的上端开路,下端是四个馈电端。四个馈电点等间隔分布在圆柱底面的圆周上。四臂螺旋天线的关键问题是实现四臂等幅且依次相差90°馈电。最直接的办法是使用功分移相网络分别给每条臂馈电,但这种方法较复杂且损耗过大。本文将四臂螺旋天线看作是由两个等幅正交馈电的双臂螺旋天线组成。利用一个3dB分支线定向耦合器提供等幅相差90°两路信号给两个双臂螺旋,而每个双臂螺旋内部采用180°微带线移相来达到各端口依次90°相差要求。同时为了避免180°移相线的交叉连接,采用了过孔背向连接技术,由于馈电网络基板的厚度很小,所以过孔引入的相位误差可以忽略。该馈电网络结构不仅实现了各端口等幅、相差90°的要求,而且有效减小了馈电结构尺寸,易于天线集成。

图2 设计的印刷四臂螺旋天线结构示意图

天线设计选择海事卫星通信工作频带1525～1660.5MHz的中心频率1592MHz作为设计频率。天线主体部分选用εr=2.65,厚度为0.2mm的聚四氟乙烯软材料;馈电网络介质板选用εr=4.4,厚度为1mm的FR4基板。兼顾带宽和方向性的要求,最终选择 3λ/4螺旋臂长绕直径D=0.27λ转3/4圈。天线采用基于有限元的全波分析软件HFSS进行了模拟。通过仿真优化计算,最终天线尺寸如下:

D=50mm,Lele=140mm,α=34°,Lax=78mm,w=5mm。图3给出了天线的加工实物。

图3 天线加工实物图

3 天线仿真和实验结果

图4为天线的电压驻波比在HFSS中的仿真结果以及在Agilent 8753D矢量网络分析仪上的测试结果。仿真结果和测试结果较好的吻合。实测结果显示VSWR≤1.5的天线阻抗带宽达25%(1450MHz～1860MHz),在海事卫星通信收发频带内驻波比均小于1.4。

图5分别给出了在系统要求的收、发工作频带内右旋(RHCP)和左旋(LHCP)圆极化场的仿真和测试方向性图。仿真结果和测试结果具有较好的一致性。由图中可以看出该四臂螺旋天线具有半球覆盖的方向图和很好的增益特性,顶点增益大于2dB,半功率波瓣宽度达到140°。上半空间(仰角15°以上区域)增益变化小于3dB,交叉极化隔离度大于15dB,也就意味着轴比小于3dB,整个区域圆极化辐射性能良好。

4 结语

本文根据海事卫星通信系统对天线的要求,对谐振式印刷四臂螺旋天线进行了研究。提出一种应用于船载海事卫星通信的宽波束圆极化天线。由于采用了新型馈电网络结构,使得天线结构紧凑、简单,集成化程度高。计算结果与测试结果一致性良好。天线在海事卫星工作频带内驻波比小于1.4,增益高于2dB,半功率波瓣宽度达到140°。仰角15°以上区域增益变化小于3dB,轴比小于3dB。天线具有十分优良的电性能,满足系统要求。该结构天线已应用于实际工程中。

[1]Charles C.Kilgus Resonant quadrifilar helices[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1969(17):349～351

[2]Charles C.Kilgus Resonant quadrifilar helix design[J].Microwave Journal,1970(18):49～54

[3]王家勇,王昌复,等.低轨道小卫星通信中谐振式四臂螺旋天线的应用研究[J].电子学报,2002,30(12):1865～1866

[4]张继龙,钱祖平,卢春兰.一种用于卫星定位系统的宽波束圆极化天线[J].电波科学学报,2008,23(2):340～343

[5]Shumaker P K,Ho C H,Smith K B.Printed half wave length quadrifilar helix antenna for GPS marine applications[J].Electronics Letters,1996,32(3):153～154

[6]A.Sharaiha,C.Terret,J.P.Blot.Printed quadrifilar resonant helix antenna with integrated feeding network[J].Electronics Letters,1997(33):256～257

[7]Srinivas S,Sharma R,Balakrishnan T,et al.Printed quadrifilar helix:development of a novel antenna for measurement of electromagnetic interference International Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility,The Residency Towers,Chennai,India,2003(12):349～352

[8]沈仁强,尹应增,等.圆锥印刷四臂螺旋天线的分析与设计[J].微波学报,2007,23(5):14～18