北斗导航/超短波通信双模三频一体化终端天线的研究与设计

王丹青， 李萍， 朱永忠

(武警工程大学 信息工程系, 陕西 西安 710086)

北斗导航/超短波通信双模三频一体化终端天线的研究与设计

王丹青， 李萍， 朱永忠

(武警工程大学 信息工程系, 陕西 西安 710086)

为了满足某型单兵系统中通信终端对超短波通信与北斗卫星导航定位的需求，设计了兼容导航与超短波通信双模式的新型单兵通信终端天线。通过在印刷折叠四臂螺旋天线(FPQHA)顶部的螺旋臂与折叠臂间加载电容，设计了电容加载的印刷折叠四臂螺旋天线，实现了北斗卫星导航B1、B3双频段覆盖。该天线结构紧凑，且能够通过改变电容值大小便捷地进行调谐优化。根据当前超短波通信终端采用外置单极子鞭状天线的现状，将提出的电容加载FPQHA与原单极子超短波通信天线同轴共置，减小了天线系统在其载体平台上所占的空间。并通过结构优化，尤其是在单极子天线外添加套筒，解决了二者的兼容性问题。该天线便于综合集成现有设备，能够达到实战中对高精度北斗卫星导航的性能要求，同时支持超短波频段通信。

兵器科学与技术； 四臂螺旋天线； 套筒单极子天线； 北斗卫星导航系统； 超短波通信

0 引言

目前，北斗卫星导航系统已完成了亚太区域的组网并开始加速部署。预计到2020年将完成对全球的覆盖，为全世界用户提供导航、定位和授时服务。在民用领域，北斗卫星导航系统已应用于测量、监控、车运、空运、航运、农业、金融、通信等多个行业；在国防领域，也已在武器精确制导、部队实时调度等方面广泛应用。作为北斗终端收发信号的重要部件，天线系统直接影响着终端设备的尺寸和性能。为满足新一代单兵超短波通信终端基于北斗卫星导航的定位需求，本文立足现有装备研究导航/通信天线系统的小型化问题，设计一种兼容多种工作模式的多频段手持终端天线。

四臂螺旋天线(QHA)具有结构紧凑、辐射方向图理想、前后比较高等优点。近年来，随着印刷天线技术的提出，加工便捷、成本低廉的印刷四臂螺旋天线(PQHA)被广泛应用于全球卫星定位系统[1-4]。但其剖面较高、带宽较窄(仅为5%～8%)的问题制约着它在小型化、多频段卫星导航终端中的应用。因此，随着全球卫星定位系统的演进，QHA也向着小型化、多频/宽频段的方向发展。在小型化技术方面，研究人员探索出了许多方法。例如：介质加载技术——通过在QHA内部插入介质棒[5-7]，实现了天线轴向高度的降低；流曲技术——通过将螺旋臂设计为不同的流曲结构，也实现了同样的效果[8]。具体有螺旋臂为方形流曲结构的QHA[9-11]以及螺旋臂为正弦函数曲线形式的QHA[12]等。然而，以上方法都在不同程度上增加了天线结构的复杂度，降低了系统的可靠性且天线增益难以得到保证。在多频/宽频段改进方面，研究人员主要采用了添加寄生结构的方法。在传统PQHA的基础上，通过增加折叠臂结构(印刷折叠四臂螺旋天线，英文缩写FPQHA)实现双频/宽带特性[13]。2015年，Byun等将螺旋臂设计为阶梯状，以降低天线轴向高度，并通过优化馈电结构实现了双频工作[14]。但其提出的天线剖面仍然较高且结构复杂，不易调试和加工。

本文将折叠四臂螺旋结构引入手持终端导航天线的设计中。在天线整体尺寸增加不大的前提下，通过在印刷四臂螺旋天线顶部加载电容——串接与螺旋臂尺寸相同的折叠臂结构——实现了天线谐振电长度的增加，从而达到天线小型化的目的。寄生的折叠臂结构还引入了第二工作频段。而通过调整加载的电容值大小能够进行天线调谐，实现北斗卫星导航系统的B1、B3双频覆盖。

根据频段特性和作战需求，单兵超短波通信天线通常采用单极子形式。为了满足新型单兵通信终端导航与超短波通信的功能需求以及便携可靠的结构要求，本文通过将设计的北斗导航双频折叠QHA与超短波通信单极子天线同轴共置，减小天线系统在终端载体上所占的空间。为了降低二者共置产生的耦合干扰，在超短波单极子天线外添加套筒结构，并通过结构优化解决二者的兼容问题，实现了北斗导航B1、B3双频段覆盖的同时支持超短波频段通信。

1 北斗导航双频折叠QHA分析与设计

1.1 折叠QHA的理论分析与设计

折叠QHA是在QHA的基础上加载寄生的折叠臂演变而来的。由于加载的折叠臂结构在天线中引入了新的电流路径，所以能够增加一个新的谐振频点。另一方面，折叠臂延长了电流路径，使得天线谐振频点降低而尺寸不增大，实现了结构的小型化。

目前，国内外对于折叠QHA没有成熟的计算理论，因此借鉴其原型——谐振式QHA模型对其基本结构及尺寸进行初步分析和计算。这里采用等效电流的数值分析方法来研究QHA的辐射性能。针对QHA结构建立如图1所示的空间球面坐标系(r,φ,θ). 图1中QHA的螺旋半径为r0，螺旋线长度的微元为dl，该微元在OXY面上的投影与X轴夹角为φ′，P表示空间中一点，坐标系原点和P点的连线OP与坐标系原点和螺旋线上微分dl的连线间的夹角为ψ.

图1 QHA结构图Fig.1 Structural dimensions of QHA

QHA可视为由4个螺旋臂组合而成，螺旋臂长度L满足(1)式，其中λ为工作频率对应的波长，M为正整数，即螺旋臂长度应为四分之一波长的整数倍。

L=M(λ/4).

(1)

各螺旋臂上电流近似呈正弦分布，其上各单元的电流幅度相等，大小如(2)式所示。4个螺旋臂中相邻两臂上电流相位相差90°.

(2)

式中：I0为电流振幅；k为相移常数，其大小为k=2π/λ；N为螺旋绕数。QHA的辐射电场包括螺旋和径向两部分，可分解在正交的两个方向φ和θ上进行分析。

(3)

式中：ω为电流角频率；μ为空间磁导率；iφ为矢量电流。

首先考虑总辐射场在φ方向上的分量，其积分表达式如(3)式所示[15]，进而根据电流强度可计算各螺旋臂产生的螺旋部分辐射电场，结果分别如积分式(4)式～(7)式所示。

E1,φH=-jE(cosφ′sinθcosφ,sinφ′sinθsinφ),

(4)

E2,φH=-jE(-cosφ′sinθcosφ,-sinφ′sinθsinφ),

(5)

E3,φH=E(-sinφ′sinθcosφ,cosφ′sinθsinφ),

(6)

E4,φH=E(sinφ′sinθcosφ,-cosφ′sinθsinφ),

通常情况下认为各螺旋臂上的电流分布均匀，此时可计算出单匝绕制时的径向部分辐射电场为

(8)

式中：T=(ωμI0r0e-jkr)/2πr.

同理可得θ方向上天线的电场辐射情况。上述分析从电磁场数值计算的角度描述了QHA的辐射电场，为进一步分析折叠QHA提供了理论参考。电磁场数值计算的实验结果表明：对于选定的工作频率，增大螺旋臂长度L，能够扩大天线的对上辐射范围；增大螺旋臂的螺旋升角η可拓宽天线的波瓣宽度；增大螺旋半径r0可以展宽天线的工作带宽。当天线的螺旋臂长度确定后，增大螺旋升角η，则波瓣宽度展宽，而天线螺旋半径r0将减小，导致天线工作带宽变窄；减小螺旋升角η，则天线波瓣宽度变窄，而螺旋半径r0将增大，天线工作带宽展宽。可见，QHA的工作带宽和波瓣宽度相互制约。

本文基于FPQHA来实现北斗双频导航。设计的天线平面展开图如图2所示。由图2可见，4条螺旋结构印刷于柔性薄基质上，每条螺旋结构包含互相平行的螺旋臂与折叠臂。其中螺旋臂与馈电端口相接，折叠臂与地板相接。在天线顶部，折叠臂与螺旋臂通过短接线连接。

图2 螺旋臂与折叠臂结构展开图Fig.2 Expanded View of helix arms and folded arms

基于QHA电磁理论的数值计算分析结果，结合文献[13]中的实验仿真，本文在考虑终端尺寸与使用要求的前提下，按照结构紧凑，便于优化与加工的原则，初步确定天线模型中各结构的尺寸如下：该天线选择单匝绕制(N=1)，各臂与顶部连接线等宽，即Ws=d. 螺旋臂长度L=0.75λ0，折叠QHA的周长C=0.5λ0，其中λ0为北斗B1、B3中心频率1.414 GHz对应的波长。

1.2 加载电容的双频折叠QHA仿真研究与设计

电容加载可以改变天线上的电流分布。合理加载电容一方面能够拓宽天线的谐振带宽，另一方面能够增加天线的谐振频点。因此，在1.1节提出的FPQHA的基础上，在螺旋臂与折叠臂间加载电容连接，使新增的谐振频率能够通过改变加载电容大小进行调整，针对不同应用需求进行调谐。此时，天线两个谐振频率中较低的谐振频率由螺旋臂、加载的电容和折叠臂3部分结构上的电流共同决定。因此，该频段上天线有效长度等于低谐振频率对应波长的1/4. 较高谐振频点由螺旋臂上的电流决定。因此，该频段天线有效长度等于高谐振频率对应波长的3/4. 下面通过分析加载电容后天线的等效电路模型，具体说明加载电容的作用。

加载电容后的FPQHA的等效电路如图3所示，图3中串联电容Cl表示连接折叠臂的加载电容。低频谐振时，Cl在电路中起到隔离作用，天线的谐振频率等于辐射电阻Rr、等效电容Ce、加载电容Cl和等效电感Le组成的串联谐振电路的谐振频率。该频率可由(9)式计算：

(9)

式中：L=Le；C=1/(1/Cl+1/Ce).

由此可见，低谐振频率随着加载电容值的增加而降低。天线工作在高谐振频率时，图3中加载电容处通路，此时天线等效为一个标准的LC串联谐振电路，谐振频率的计算公式同(9)式。

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit

由对天线等效电路的分析可见，连接折叠臂所加载的电容主要影响新引入的低谐振频率，进一步说明了通过改变加载电容值进行天线调谐的原理。这种方法避免了在设计过程中反复修改复杂结构的难度，减少了结构参数优化的工作量。设计出的天线结构简单，系统可靠性高。为了提高仿真结果的可靠性，根据某型单兵通信终端形状和尺寸，将天线加载于尺寸为50 mm×102 mm×203 mm的长方体上进行仿真实验。

加载不同大小的电容时，天线工作频率的偏移情况如图4所示。图4中实线是不加载电容时的折叠QHA仿真结果。其余曲线分别是加载不同电容时天线的回波损耗。由仿真结果可见，加入折叠臂后，QHA呈现双频谐振特性，谐振频率分别为1.06 GHz与1.57 GHz. 仿真结果显示电容值的改变主要使低频谐振频段产生偏移，随着加载的电容值从0.2 pF增加至0.6 pF，低谐振频段的中心频率向低频方向偏移，与上文基于等效电路对天线双频谐振特性的分析结果吻合。当电容为0.4 pF时，其中心频率为1.268 GHz，回波损耗较低，-10 dB阻抗带宽大于20 MHz，满足北斗B3频段的带宽要求。此时，另一较高的谐振频段中心频率为1.55 GHz，-10 dB阻抗带宽覆盖北斗B1频段。由此可见，调节加载电容值大小的方法可以较为便捷地进行该天线调谐，优化天线的阻抗匹配情况，从而获得所需工作频段的天线。经仿真研究，针对北斗系统B1、B3双频导航的频段要求，最终确定电容大小为0.4 pF. 此时QHA的螺旋半径r为16.5 mm，轴向高度La为68 mm.

图4 电容对QHA谐振频率的影响Fig.4 Return loss vs. capacitance

2 导航/通信双模终端天线的设计与仿真分析

2.1 导航/通信双模终端天线的结构设计

为了实现兼容北斗卫星导航与超短波通信的天线系统，减小天线整体结构在通信终端上所占的空间，本文将第1节设计的电容加载的北斗导航双频折叠QHA环绕于超短波通信单极子天线外并在底部分别馈电，构成导航/通信双模天线。该天线满足了北斗双频导航与超短波通信的要求，且额外占用的载体平台空间很小。但仿真实验结果也显示：北斗导航双频折叠QHA与单极子天线共置会产生耦合干扰，二者阻抗匹配特性均有恶化，各自的正常功能受到影响。

由于单极子天线的阻抗匹配带宽随着其直径增大而展宽[16]，因此本文在单极子天线的辐射振子周围增加一金属套筒，这样其整体结构相当于一个加粗的单极子天线，然后与第1节设计的北斗导航双频折叠QHA同轴共置。仿真实验结果表明，添加套筒结构后两种工作模式天线的阻抗匹配特性均有提高。此时天线整体结构如图5所示，俯视图如图6所示。俯视图中螺旋臂- 电容夹角α是指水平剖面上电容加载位置与螺旋臂之间所夹圆心角大小；螺旋臂- 折叠臂夹角β指水平剖面上螺旋臂与折叠臂间所夹的圆心角大小；电容重叠角r指水平剖面上电容对应的圆心角大小。

图5 天线结构Fig.5 Geometry of the proposed antenna

图6 天线结构俯视图Fig.6 Top view of the proposed antenna

2.2 套筒结构对导航/通信双模天线的影响

通过对套筒结构直径d和高度h的参数扫描分析，研究分析该结构对天线性能的影响。仿真结果显示，套筒高度和直径变化均对北斗导航折叠QHA的双频谐振频率产生影响，且套筒高度对折叠QHA双频谐振特性的影响强于套筒直径。图7与图8分别给出了不同套筒尺寸的天线在B1、B3频段的回波损耗曲线对比结果。

图7 套筒高度对北斗导航频段回波损耗的影响(套筒直径21 mm)Fig.7 Return loss of BDS frequency band vs. sleeve height (sleeve diameter d=21 mm)

图8 套筒直径对北斗导航频段回波损耗的影响(套筒高度50 mm)Fig.8 Return loss of BDS frequency band vs. sleeve diameter (sleeve height h=50 mm)

如图7所示，套筒直径为21 mm时，随着套筒高度的增大，北斗导航双频折叠四臂螺旋天线的谐振频率在B1频段附近摆动较为剧烈。当套筒高为50 mm时回波损耗最低，-10 dB阻抗带宽能够覆盖B1、B3频段。如图8所示，在套筒高度为50 mm时，随着套筒直径的增大，北斗导航双频折叠四臂螺旋天线在B3频段附近谐振频率向低频方向偏移；在B1频段附近谐振频率向高频方向偏移，且回波损耗逐渐增大。当套筒直径为21 mm时，天线在B1、B3频段均显示出较好的阻抗匹配特性。

基于上述研究分析，设计北斗双频导航与超短波通信的双模式三频段单兵终端天线，经过参数分析优化，得到天线结构尺寸见表1. 此时北斗导航双频折叠QHA在北斗B1、B3频段阻抗匹配特性最佳，阻抗匹配带宽分别为B1：1.514～1.596 GHz和B3：1.252～1.286 GHz. 套筒单极子天线的性能也满足超短波通信要求。

表1 天线尺寸Tab.1 Geometrical parameters of the proposed antenna

图9 1.268 GHz辐射方向图Fig.9 Simulated radiation pattern at 1.268 GHz

2.3 导航/通信天线辐射特性的仿真分析

图9给出了1.268 GHz时，该天线φ=90°面及仰角20°水平面(θ=70°)的交叉极化方向图。由图9可见，天线为右旋圆极化，且具有良好的交叉极化特性。φ=90°面仰角90°时增益为5.77 dB，满足增益≥3 dB的指标要求；3 dB波瓣宽度达120°；仰角大于20°范围内，满足增益≥-5 dB的指标要求；前后比为25.3 dB，满足前后比大于24 dB的指标要求。仰角20°水平面方向图不圆度远小于指标要求的1.5 dB. 各项指标均达到使用要求。

图10给出了1.561 GHz时，该天线φ=90°面及仰角20°水平面(θ=70°)的交叉极化方向图。由图10可见，天线为右旋圆极化，且具有良好的交叉极化特性。φ=90°面仰角90°时增益为5.04 dB. 满足增益≥3 dB的指标要求；3 dB波瓣宽度为122°；仰角大于20°范围内，满足增益≥-5 dB的指标要求；前后比为24.9 dB，满足前后比大于24 dB的指标要求。仰角20°水平面方向图不圆度远小于指标要求的1.5 dB. 各项指标均达到使用要求。

图10 1.561 GHz辐射方向图Fig.10 Simulated radiation pattern at 1.561 GHz

当频率为1.268 GHz和1.561 GHz时，仿真计算得到北斗导航双频折叠QHA与超短波单极子通信天线间的隔离度分别为-34 dB和-36 dB. 表明二者能够相互兼容，独立工作，从而验证了双模三频天线整体设计的有效性。

由上述分析可知，本文对QHA的改进设计实现了双频谐振和结构的小型化，天线性能满足北斗导航国家标准[17]。将本文设计的电容加载折叠QHA与2015年Byun等基于遗传算法优化设计的阶梯臂型双频四臂螺旋导航天线[14]进行对比。其天线结构经过遗传算法优化，性能在同类天线中较为突出，具有代表性。另一方面，其优化原型同为四臂螺旋结构，具有一定的可比性。其工作频段GPSL1与L2与本文的北斗B1、B3相近。从增益情况来看，该天线略优于本文天线(1 dB左右)。表2给出了φ=90°面上3 dB波瓣宽度的对比结果，表3给出了天线结构尺寸的对比结果，其中λL1、λL2、λB1、λB3分别表示导航频点L1、L2、B1、B3对应的波长。

表2 天线电性能对比Tab.2 Comparion of antennas electrical properties

表3 天线结构尺寸对比Tab.3 Comparion of antennas geometrical dimensions

从比较结果来看，本文天线的3 dB波瓣宽度明显拓宽。同时天线螺旋直径和轴向高度均有不同程度的缩减，天线小型化程度提高。除此之外，本文提出的天线兼顾了超短波通信功能，能够更好地满足导航/通信一体化终端对天线系统的要求。

3 天线原型加工与测试分析

为了进一步验证提出的天线设计方案，根据仿真设计模型进行了原型加工与实验测试。在天线原型加工中，电容加载通过重叠螺旋臂与折叠臂的连接线并填充介质而实现。这样，电容的大小就可以通过改变重叠部分的长度来进行调整。根据仿真确定的加载电容大小以及天线工作频率，本文设计的天线所需加载电容的重叠角大小为φ=2°. 该天线中折叠四臂螺旋结构采用印刷电路工艺加工，在厚度为0.125 mm、相对介电常数为2.2的柔性印制电路板材料上完成，实验加工的天线如图11所示。天线的回波损耗采用Anritsu37269A矢量网络分析仪进行测试，辐射方向图在微波暗室中进行测试。

图11 实验加工实物图Fig.11 Fabrication of the proposed antenna

图12给出了北斗导航B1、B3频段的实测回波损耗与仿真结果的对比曲线。实测中天线的阻抗带宽分别为1.244～1.282 GHz和1.524～1.588 GHz. 图13给出了超短波通信频段回波损耗的仿真与实测曲线。实测中天线在315～400 MHz范围回波损耗均小于-10 dB，完全覆盖专用超短波通信频段。

图12 北斗导航频段回波损耗仿真与实测结果图Fig.12 Simulated and measured return losses at BDS Band

图13 超短波通信频段回波损耗仿真与实测结果图Fig.13 Simulated and measured return losses at UHF band

轴比实测结果显示，北斗导航双频折叠QHA在1.268 GHz和1.561 GHz频点处，φ=0°面及φ=90°面上仰角大于20°范围的轴比小于6 dB，符合设计要求。图14给出了φ=0°面-70°≤θ≤70°范围内实测与仿真轴比的对比曲线，结果显示在该范围内轴比小于3 dB.

图14 北斗导航频点轴比仿真与实测结果图Fig.14 Simulated and measured axial ratio at BDS Frequency

图15和图16分别给出了天线在1.268 GHz和1.561 GHz频点处，φ=90°面仿真与实测的归一化辐射方向图。图17给出了350 MHz频点处，天线E面和H面仿真与实测的归一化辐射方向图。对比可见，实测与仿真结果保持了较好的一致性。仿真结果显示，在350 MHz时天线水平方向的最大增益约为3.9 dB，实测中水平最大增益达到了3.5 dB，满足了超短波通信对天线性能的要求。

图15 1.268 GHz仿真与实测辐射方向图Fig.15 Simulated and measured radiation pattern at 1.268 GHz

图16 1.561 GHz仿真与实测辐射方向图Fig.16 Simulated and measured radiation pattern at 1.561 GHz

图17 350 MHz仿真实测辐射方向图Fig.17 Simulated and measured radiation pattern at 350 MHz

4 结论

本文采用电容连接折叠臂的结构，设计了一种小型化的双频折叠四臂螺旋北斗导航天线，能够满足实战中单兵导航定位的需求。将该新型QHA与超短波通信单极子天线同轴共置，通过在二者之间增加套筒结构，并进行结构优化，解决了二者共置的兼容性问题，最终设计并实现了一种双模式三频段单兵终端天线。实测表明，该天线能够同时满足导航与通信的性能要求。因此，可以同时替代同类导航/通信终端上的卫星导航与超短波天线，减少天线系统对终端空间的占用，提高天线系统的集成度与可靠性，具有较强的创新价值和实战意义。

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Research and Design of a Dual-mode Tri-band Antenna for BDS Navigation and Integrated UHF Communication Terminal

WANG Dan-qing， LI Ping， ZHU Yong-zhong

(Department of Information Engineering, Engineering University of PAP, Xi’an 710086, Shaanxi, China)

In order to satisfy the requirements of communication terminal in an individual soldier combat system for navigation and ultra-high frequency (UHF) communication, a novel antenna for the individual soldier communication terminal is proposed, which is compatible with navigation and UHF communication functions. A novel capacitors loaded-FPQHA is designed by loading series capacitors at the top of folded printed quadrifilar helix antenna (FPQHA), which realizes the coverage of B1 and B3 bands for Beidou satellite navigation system (BDS). The proposed antenna has a compact structure and can be tuned conveniently by adjusting the capacitance values. Given that the current UHF radios typically employ an external whip antenna for communication, the proposed capacitors loaded-FPQHA is coaxially located with the existing monopole antenna, which reduces occupation of antenna system on the terminal, and the compatibility issue is solved through structure optimization, especially with a sleeve added around the monopole. The proposed antenna can be easily integrated with existing individual soldier system and reduce the maintenance costs. It satisfies the performance requirements of high-precision BDS navigation in warfare, and UHF communication is also supported.

ordnance science and technology; quadrifilar helix antenna; sleeve monopole antenna; Beidou satellite navigation system; ultra-high frequency communication

2016-05-10

国家自然科学基金项目(61302051)

王丹青(1990—)，女，博士研究生。E-mail:wangqingqing620@126.com； 李萍(1957—)，女，教授，博士生导师。E-mail:liping_wj@sohu.com； 朱永忠(1980—)，男，教授，博士生导师。E-mail：bsbs1980@sina.com

TN828.3

A

1000-1093(2016)12-2284-09

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.014