應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信的低剖面變升角螺旋天線設(shè)計(jì)

傅世強(qiáng) 周 月 房少軍 曹 媛

（大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連116026）

引 言

海事衛(wèi)星通信是目前世界上唯一能為海陸空用戶提供全球、全天候、全方位的衛(wèi)星移動(dòng)通信和遇險(xiǎn)安全通信的通信系統(tǒng).第四代海事衛(wèi)星通信寬帶全球區(qū)域網(wǎng)（BGAN）［1］業(yè)務(wù)吸取、兼容了3G的通信優(yōu)勢(shì)，在衛(wèi)星通信中結(jié)合了便攜移動(dòng)、寬帶、網(wǎng)絡(luò)通信的需求，為用戶提供速率高達(dá)492Kbps的移動(dòng)寬帶服務(wù).該業(yè)務(wù)在中國(guó)投入使用以來(lái)，在我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)通信和應(yīng)急通信領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用.近年來(lái)，“動(dòng)中通”海事衛(wèi)星通信需求旺盛、發(fā)展迅速，具有極大的應(yīng)用前景.為了滿足“動(dòng)中通”衛(wèi)星通信對(duì)終端設(shè)備的特殊要求，需要終端天線具有低剖面、輕重量、高增益、寬頻帶等特點(diǎn)［2］.

螺旋天線最早由Kraus提出，主要存在法向和軸向兩種輻射模式［3］.軸向模螺旋天線由于具有寬頻帶、高增益和低軸比的特點(diǎn)，使其在衛(wèi)星通信中得到了廣泛應(yīng)用［4］.許多學(xué)者對(duì)軸向模螺旋天線進(jìn)行了大量的分析和試驗(yàn)研究.文獻(xiàn)［5］給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)傳統(tǒng)螺旋天線的參考數(shù)據(jù)和圖表，一般而言，首先根據(jù)設(shè)計(jì)頻率，選擇合適的周長(zhǎng)和螺距，然后通過(guò)增加螺旋圈數(shù)來(lái)提高增益，這樣勢(shì)必會(huì)讓天線高度增大；文獻(xiàn)［6］則對(duì)傳統(tǒng)螺旋天線進(jìn)行改進(jìn)，提出了新型中饋軸向螺旋天線，實(shí)現(xiàn)了雙向輻射特性；文獻(xiàn)［7］通過(guò)研究螺旋天線上的電流分布，提出在電流的節(jié)點(diǎn)處截?cái)啵捎蒙贁?shù)圈螺旋結(jié)構(gòu)能夠降低天線高度；為了改善天線圓極化輻射特性，文獻(xiàn)［8］提出了指數(shù)漸變螺距的天線結(jié)構(gòu)，相類似，文獻(xiàn)［9］也提到采用變升角的方法，可以改善軸向模螺旋天線的增益，但也僅是分析了正升角對(duì)天線影響，沒(méi)有給出負(fù)升角的情況；在變升角的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［10］提出利用寄生螺旋線的辦法來(lái)進(jìn)一步提升天線的性能，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在螺旋圈數(shù)較少的情況下無(wú)法附加寄生單元.

本文所研究的內(nèi)容是在滿足低剖面要求，即限制天線高度的情況下，通過(guò)研究螺旋的正、負(fù)升角對(duì)天線的作用規(guī)律，得到最優(yōu)的圓極化輻射性能；然后通過(guò)微帶匹配段實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的阻抗匹配，給出一套低剖面變升角螺旋天線的設(shè)計(jì)方法.基于此方法，設(shè)計(jì)了一款應(yīng)用于海事衛(wèi)星通信的低剖面螺旋天線，根據(jù)要求將天線總高度限制在5cm以內(nèi)，工作頻段1 525～1 660.5MHz，中心頻率1 593MHz.

1 天線的設(shè)計(jì)

根據(jù)Kraus的理論，在總高度不超過(guò)5cm情況下，若采用傳統(tǒng)的等螺距軸向模螺旋天線進(jìn)行設(shè)計(jì)（C≈λ，α＝14°），螺旋的圈數(shù)將不足1.5圈，此時(shí)，天線的圓極化軸比和阻抗匹配性能均表現(xiàn)得很差.因此，對(duì)低剖面螺旋天線的設(shè)計(jì)方法必須改進(jìn)，本文正是通過(guò)變升角和微帶匹配段的共同作用來(lái)改善天線的性能.

所提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺旋線參數(shù)方程為

式中：R代表螺旋半徑；N為螺旋圈數(shù)；α0為起始升角；α1為終止升角.參數(shù)t定義為螺旋線環(huán)繞過(guò)程弧度的變化，其范圍0≤t≤2πN，當(dāng)t＝2πN時(shí)Z的值即為螺旋天線的總高度H，它與起始升角α0無(wú)關(guān)，僅僅與終止升角α1有關(guān).α1與α0的差值有正有負(fù)，反應(yīng)到螺旋上就是正升角和負(fù)升角.

圖1 提出的螺旋天線結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算機(jī)仿真分析，螺旋天線的周長(zhǎng)C＝2πR，應(yīng)取0.8＜C/λ＜1.2，超過(guò)這個(gè)范圍將不再呈現(xiàn)圓極化特性，同時(shí)波瓣圖也開(kāi)始出現(xiàn)畸變，C的取值在海事衛(wèi)星通信一個(gè)中心波長(zhǎng)附近最好，此時(shí)R＝30mm.根據(jù)需求在限制天線總高度H＝5cm后，就要選擇合適的螺距和圈數(shù).為了降低剖面，且不破壞螺旋線上電流分布［7］，選擇圈數(shù)N＝2，螺距的變化由變升角決定.由于H的確定使得α1也隨之確定α1＝7°，因此對(duì)于升角的調(diào)節(jié)只需改變?chǔ)?.通過(guò)改變?chǔ)?使天線的圓極化性能達(dá)到最佳.圖2給出了起始升角α0對(duì)天線圓極化寬角軸比的影響.從圖2中可以看出，軸比隨著α0的增大先變好再變差，存在最優(yōu)值α0＝12°.

在得到天線最優(yōu)的圓極化輻射性能之后，用微帶匹配段對(duì)螺旋天線的輸入阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié).微帶匹配段采用聚乙烯發(fā)泡（εr≈1.05）支撐，高度h＝3mm.匹配段的長(zhǎng)LP和寬WP對(duì)阻抗的調(diào)節(jié)具有一定的規(guī)律性.如圖3和圖4所示，在設(shè)計(jì)的中心頻率1 593MHz處，寬度WP主要影響阻抗虛部，阻抗實(shí)部變化不明顯；而長(zhǎng)度LP則主要影響阻抗實(shí)部，阻抗虛部變化不明顯.通過(guò)匹配段長(zhǎng)寬的共同調(diào)諧就可得到良好的阻抗曲線，從而優(yōu)化輸入匹配.

2 天線的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)“動(dòng)中通”海事衛(wèi)星通信終端天線陣對(duì)單元天線的要求，以及上述分析，并結(jié)合圖1，最終優(yōu)化得到的天線結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

R＝30mm；N＝2；α0＝12°；α1＝7°；H＝5cm；

h＝3mm；LP＝30mm；WP＝8mm；RGND＝90mm.

由于螺旋起始角α0大于終止角α1，因此是升角遞減的螺旋天線.最終天線采用0.1mm厚銅箔材料加工制作，帶條寬度WH＝5mm，利用泡沫支撐，加工實(shí)物如圖5所示.

圖5 天線加工實(shí)物圖

對(duì)天線的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試 .用Agilent N5230A矢網(wǎng)對(duì)天線的輸入匹配進(jìn)行了測(cè)量.圖6給出了天線的仿真與實(shí)測(cè)｜S11｜對(duì)比曲線，從圖中看出實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果具有較好的一致性，在整個(gè)海事衛(wèi)星通信工作頻帶（1 525～1 660.5MHz）內(nèi)，實(shí)測(cè)｜S11｜＜-25dB，即 VSWR＜1.12，輸入取得了良好的阻抗匹配.

圖7給出了天線的軸向增益和軸向軸比隨頻率變化的仿真和部分實(shí)測(cè)結(jié)果.仿真結(jié)果表明，軸比小于3dB帶寬為1.4～1.7GHz，在該頻帶內(nèi)對(duì)應(yīng)的天線增益近似達(dá)到10dBi.在海事衛(wèi)星通信收發(fā)頻點(diǎn)實(shí)測(cè)的軸比值與仿真值吻合較好，而實(shí)測(cè)的增益值小于仿真值，但均在9dBi以上.天線在中心頻點(diǎn)1 593MHz的右旋（RHCP）和左旋（LHCP）圓極化場(chǎng)的仿真和測(cè)試方向性圖見(jiàn)圖8所示.從方向性圖中可以看出半功率波瓣寬度達(dá)到66°，交叉極化隔離度超過(guò)20dB，軸比小于3dB.實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果存在的差異，主要是由于加工誤差和測(cè)量誤差造成的.

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)限制高度的螺旋天線進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用變升角以及微帶匹配技術(shù)來(lái)優(yōu)化天線的性能，提出了應(yīng)用于“動(dòng)中通”海事衛(wèi)星通信終端天線陣的低剖面單元天線設(shè)計(jì)方法和天線結(jié)構(gòu).實(shí)測(cè)結(jié)果表明該天線在海事衛(wèi)星通信工作頻帶內(nèi)，駐波比小于1.12，增益高于9dBi，軸比小于3dB，測(cè)試值與仿真值一致性較好.所設(shè)計(jì)的天線具有重量輕、剖面低、易于調(diào)諧的特點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景.研究發(fā)現(xiàn)，在限定天線高度過(guò)低的情況下難以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，還有待進(jìn)一步研究.

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