一种船用BDS/GPS双频四臂螺旋天线

宋璐　常勇猛　丁思宇　王宇昊　赵建森

【摘 要】设计了一种双频自相移式四臂螺旋天线模型，并进行了加工，结合仿真与实验分析了该天线的阻抗、增益、方向性等参数。仿真结果与实验结果具有较好的一致性，该天线主瓣波束宽度可以达到160°，且旁瓣很小。另外，该四臂螺旋天线在大仰角范围内具有良好的右旋圆极化性能。天线可以进行从1.2 GHz和1.8 GHz双频通信，各个频段的带宽约为60 MHz。

【关键词】四臂螺旋天线；可控性；北斗

中图分类号： U665 文献标识码： A 文章编号： 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终端在不断完善的同时，也促进了船载天线的不断发展。首先，BDS/GPS[1]系统天线需要圆极化，在抗干扰，抗多径或者多路复用有一定优势。圆极化天线可以收到多种极化模式的信号，如水平极化、垂直极化等。当入射波遇到反射体（如船体和海平面）反射时，而且当入射角小于Brewster角[2，3]时，圆极化波的旋向具有正交性，如右旋圆极化波经反射改变成左旋圆极化。与车载BDS/GPS系统天线不同，船舶在航行过程中处于非平稳航行状态，这种状态在大风浪天气条件下尤为严重。经过仿真与实验探索，建立了自相移式BDS/GPS四臂螺旋天线。为实现BDS与GPS兼容，提高船载定位系统定位精度提供参考。

1 天线模型与结构

本文所设计的类型的天线不需要馈电网络，仅通过四个振子之间的相位差来实现天线圆极化。图1是所设计的自相移式四臂螺旋天线单元。该天线四个螺旋阵子分为两组，每组两个相邻螺旋阵子两连接。如图1中的振子1和振子2为一组，振子3和振子4为另一组，其中1和3长度相等，2和4长度相等。而1和2长度相差四分之一波长。振子1和2与同轴线内导体相连，3和4与同轴线外导体相连接。因为同轴线的内、外导体电流方向相反，相位差相差180°，所以四臂螺旋天线相邻两个振子之间的相位差均相差90°[4]。

如图2所示，该可调式巴伦不仅能够调节同轴线内外导体电流平衡，也可以通过调节可调巴伦上的滑动环实现天线阻抗与极化调控。另外，天线顶上的馈电带条在一定程度上充当了顶负载的角色，它的存在使得天线方向图主瓣波束宽度变得更宽。采用自相移式四臂螺旋天线阵元的目的是该类型的天线少了宽带匹配网络，而宽带匹配网络的横向尺寸较大。天线的可调式巴伦设置在空心树脂内部，可调节位于可调式巴伦中心的活动环来调节天线频带和圆极化特性。图3为HFSS天线模型。

2 结果与分析

2.1 阻抗特性

所构建的四臂螺旋天线阵列尺寸如下：四臂螺旋天线HFSS模型，采用理想边界，四臂螺旋天线纵向长度为640mm，螺旋长振子总长度为812mm，短振子总长度726mm，振子與水平面夹角为52°，天线单元直径为20mm，螺旋振子条宽度为2mm。天线回拨损耗测试结果如图4所示，从网络分析仪屏幕中可以看到，该天线S11在1.22和1.57GHz两个频点上的值均小于-15dB，且每个频点的频带宽度约60MHz，其中在1.22GHz上的回波损耗小于-20dB，在1.57GHz上也接近-20dB，此时可调式巴伦中的滑动环距离天线顶端22 mm。这说明该天线适用于北斗二代、GPS频带范围[5]。利用有限元为基础的HFSS对天线阵列进行仿真，模拟范围从1.0-2.0GHz。从图5中的天线仿真值中可以看出，天线在1-2GHz波段中具有双频特性，与实验结果相近，中心频率分别在1.27 GHz和1.54 GHz。

2.2 方向性

四臂螺旋天线单元的方向图如图6所示，天线正向辐射最大值为4.4dB，在10°仰角处天线的增益为1.4dB，主瓣半功率波束宽度约为160°。可见，由于四臂螺旋天线顶负载的作用，天线的波束宽度比常规四臂螺旋天线更宽。由于顶端负载和天线底座反射面的相互作用，辐射方向的最大值并不是指向垂直方向，天线垂直方向的增益约为2.3dB，在50°仰角附近，天线增益最高（4.4dB）。因此，该天线可以覆盖整个上空空间，当调节可调式巴伦和天线振子长度时，天线的方向性发生变化，可调节天线的最大增益朝向顶端。另外，在施加扼流圈时，天线的波束宽度降低为153°左右，尽管如此，仍然具有较高的低仰角增益。当旋转顶负载时，可改变天线旋向，调控左右旋圆极化。

3 结论

常规微带、四臂螺旋天线的仰角指标很难满足要求。即使是增加四臂螺旋天线剖面，天线的辐射方向图趋向于偶极子方向图，则高仰角增益会大幅度降低，在设计起来得不偿失。本文所研制的可重构自相移式四臂螺旋天线，通过可调式巴伦和拉杆式螺旋天线，可以实现天线频带、增益甚至极化重构。通过顶端十字交叉带条对电流的扰动，及与反射面的相互作用，可以在提升低仰角增益的同时，也能维持高仰角增益，既可以作为BDS/GPS定位导航系统的天线，也能够作为信号多路复用的左旋圆极化天线。

【参考文献】

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

[2]褚庆昕，蔺炜，林伟鑫，等.电子学报，2013，41（4）：722-726.

[3]吴学睿，李颖.GNSS-R陆面遥感中反射信号的极化特性研究[J].地球科学进展，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