船載海事衛(wèi)星通信印刷四臂螺旋天線設(shè)計*

付世強 房少軍 路 凱 王鐘葆

(大連海事大學信息科學技術(shù)學院 大連 116026)

1 引言

INMARSAT國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)是遠洋船舶必配的通信裝備,它是全球海上遇險和安全系統(tǒng)所采用的一項重要的通信方式,我國幾乎所有的遠洋船舶都安裝了INMARSAT衛(wèi)星設(shè)備。船及人在航行中經(jīng)常處于搖擺晃動之中,船體相對于地垂直線傾斜甚至可達±25°左右。在這種情況下,為保持通信不中斷,則需要天線具有寬波束、圓極化的特性,使天線始終對準衛(wèi)星。寬波束圓極化天線主要有:十字交叉傾斜振子、變形的微帶方貼片及圓貼片、諧振式四臂螺旋天線等。其中諧振式四臂螺旋天線[1～2]可以通過選擇適當?shù)奈锢沓叽缫孕纬刹煌妮椛浞较驁D并且結(jié)構(gòu)緊湊、不需要參考地、環(huán)境適應性強,而且在低仰角時,其增益和軸比性能也能滿足系統(tǒng)要求,從而在衛(wèi)星通信中獲得了廣泛的應用[3～4]。

近年來,印刷四臂螺旋天線由于其優(yōu)良性能和容易加工的特點而越來越受到關(guān)注。文獻[5]提出了應用于GPS接收機的印刷式四臂螺旋天線,即將螺旋臂印制在柔性基材上,然后將基材卷起放入圓柱形有機玻璃筒中形成天線。文獻[6～8]闡述了將饋電網(wǎng)絡(luò)與印刷式四臂螺旋天線相結(jié)合的思路,然而由于四臂螺旋天線本身的結(jié)構(gòu)特點,導致饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復雜,并且網(wǎng)絡(luò)損耗較大。本文從海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求出發(fā),針對海上通信這一特殊環(huán)境,設(shè)計了一款集成饋電網(wǎng)絡(luò)的諧振式印刷四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)。天線采用了新穎的饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),有效減小了天線的尺寸和制作成本。

2 天線設(shè)計

Kilgus首次提出的四臂螺旋天線為諧振型天線,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線由四根螺旋臂組成,每根螺旋臂長度為Mλ/4(M為整數(shù));四根螺旋臂饋電端電流相等,相位兩兩相差 90°(分別為 0°,90°,180°和 270°);非饋電端開路(M為奇數(shù)時)或短路(M為偶數(shù)時);四個螺旋臂一般繞成N/4圈(N=1,2,3…)。天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由下式確定:

圖1 諧振式四臂螺旋天線

式中:Lax為螺旋的軸向高度(mm),Lele為螺旋臂的長度(mm),D為螺旋的直徑(mm),N為螺旋的圈數(shù)。A=1(M為奇數(shù)時),A=2(M為偶數(shù)時)。

設(shè)計四臂螺旋天線時,首先要確定其螺旋臂的長度Lele、螺旋的直徑D和螺旋節(jié)距的升角α,從而得到預期的天線輸入阻抗、增益和方向性。經(jīng)過大量的計算機仿真分析發(fā)現(xiàn):Lele決定天線的諧振頻率,當Lele接近四分之一波長時,產(chǎn)生第一個諧振點。為了獲得更好的上半空間覆蓋,可以采用多個四分之波長,即增大M值;D影響天線的帶寬,D值越大,帶寬越大;α影響波瓣寬度,α值越大,波瓣寬度越寬,相應的低仰角增益越高。然而D與α相互制約,在保持Lele不變的情況下,D增大會導致α的減小,也就意味著,帶寬增大同時,波瓣寬度變窄,因此需要折中考慮。一般情況下,當 0.25λ＜D＜0.46λ時,螺旋天線工作在軸向模式,即最大輻射方向在螺旋軸線方向;當D進一步增大時,螺旋天線方向性變?yōu)閳A錐形。

本文設(shè)計的天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。將四根等寬等長的銅箔帶條按照一定的軌跡印制在柔軟薄介質(zhì)板上,如圖2(a)所示。然后繞成一定尺寸的圓柱體,這樣就構(gòu)成了天線輻射體。天線四個臂的繞向與最大輻射方向形成左手關(guān)系從而產(chǎn)生右旋圓極化輻射方向性。四根螺旋臂的上端開路,下端是四個饋電端。四個饋電點等間隔分布在圓柱底面的圓周上。四臂螺旋天線的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)四臂等幅且依次相差90°饋電。最直接的辦法是使用功分移相網(wǎng)絡(luò)分別給每條臂饋電,但這種方法較復雜且損耗過大。本文將四臂螺旋天線看作是由兩個等幅正交饋電的雙臂螺旋天線組成。利用一個3dB分支線定向耦合器提供等幅相差90°兩路信號給兩個雙臂螺旋,而每個雙臂螺旋內(nèi)部采用180°微帶線移相來達到各端口依次90°相差要求。同時為了避免180°移相線的交叉連接,采用了過孔背向連接技術(shù),由于饋電網(wǎng)絡(luò)基板的厚度很小,所以過孔引入的相位誤差可以忽略。該饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅實現(xiàn)了各端口等幅、相差90°的要求,而且有效減小了饋電結(jié)構(gòu)尺寸,易于天線集成。

圖2 設(shè)計的印刷四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖

天線設(shè)計選擇海事衛(wèi)星通信工作頻帶1525～1660.5MHz的中心頻率1592MHz作為設(shè)計頻率。天線主體部分選用εr=2.65,厚度為0.2mm的聚四氟乙烯軟材料;饋電網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)板選用εr=4.4,厚度為1mm的FR4基板。兼顧帶寬和方向性的要求,最終選擇 3λ/4螺旋臂長繞直徑D=0.27λ轉(zhuǎn)3/4圈。天線采用基于有限元的全波分析軟件HFSS進行了模擬。通過仿真優(yōu)化計算,最終天線尺寸如下:

D=50mm,Lele=140mm,α=34°,Lax=78mm,w=5mm。圖3給出了天線的加工實物。

圖3 天線加工實物圖

3 天線仿真和實驗結(jié)果

圖4為天線的電壓駐波比在HFSS中的仿真結(jié)果以及在Agilent 8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上的測試結(jié)果。仿真結(jié)果和測試結(jié)果較好的吻合。實測結(jié)果顯示VSWR≤1.5的天線阻抗帶寬達25%(1450MHz～1860MHz),在海事衛(wèi)星通信收發(fā)頻帶內(nèi)駐波比均小于1.4。

圖5分別給出了在系統(tǒng)要求的收、發(fā)工作頻帶內(nèi)右旋(RHCP)和左旋(LHCP)圓極化場的仿真和測試方向性圖。仿真結(jié)果和測試結(jié)果具有較好的一致性。由圖中可以看出該四臂螺旋天線具有半球覆蓋的方向圖和很好的增益特性,頂點增益大于2dB,半功率波瓣寬度達到140°。上半空間(仰角15°以上區(qū)域)增益變化小于3dB,交叉極化隔離度大于15dB,也就意味著軸比小于3dB,整個區(qū)域圓極化輻射性能良好。

4 結(jié)語

本文根據(jù)海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)對天線的要求,對諧振式印刷四臂螺旋天線進行了研究。提出一種應用于船載海事衛(wèi)星通信的寬波束圓極化天線。由于采用了新型饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得天線結(jié)構(gòu)緊湊、簡單,集成化程度高。計算結(jié)果與測試結(jié)果一致性良好。天線在海事衛(wèi)星工作頻帶內(nèi)駐波比小于1.4,增益高于2dB,半功率波瓣寬度達到140°。仰角15°以上區(qū)域增益變化小于3dB,軸比小于3dB。天線具有十分優(yōu)良的電性能,滿足系統(tǒng)要求。該結(jié)構(gòu)天線已應用于實際工程中。

[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,王昌復,等.低軌道小衛(wèi)星通信中諧振式四臂螺旋天線的應用研究[J].電子學報,2002,30(12):1865～1866

[4]張繼龍,錢祖平,盧春蘭.一種用于衛(wèi)星定位系統(tǒng)的寬波束圓極化天線[J].電波科學學報,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]沈仁強,尹應增,等.圓錐印刷四臂螺旋天線的分析與設(shè)計[J].微波學報,2007,23(5):14～18