頻率可重構的液態金屬錐形螺旋天線的仿真設計

周蕓 房少軍 劉宏梅 王鐘葆

關鍵詞： 液態金屬; 螺旋天線; 頻率重構; GNSS天線; 高增益; 易保密

中圖分類號： TN82?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）05?0023?04

Simulation design of a frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna

ZHOU Yun1， 2， FANG Shaojun1， LIU Hongmei1， WANG Zhongbao1

（1. College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China;

2. School of Physics and Electronic Technology， Liaoning Normal University， Dalian 116021， China）

Abstract： A frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna is proposed to design the multi?band GNSS antenna with small size， high gain， reconfigurable characteristic and easy secrecy. The antenna can be used in satellite navigation systems such as GPS， GLONASS， BDS?2B1 and BDS?1S. The HFSS software is used to design and simulate the antenna， and its optimization function is adopted to match the impedance of the antenna， so the perfect circularly polarized radiation and impedance characteristics of the antenna are obtained. The simulation results show that the gain is greater than 3 dB and the axial ratio is less than 3 dB of the antenna in the designed two frequency bands， and the proposed frequency?reconfigurable liquid metal conical helical antenna has wide application range.

Keywords： liquid metal; helical antenna; frequency reconfiguration; GNSS antenna; high gain; easy secrecy

0 ?引 ?言

衛星通信是利用衛星作為中繼來實現地面終端站、載體移動站以及便攜終端之間相互通信，逐漸以一種全新的方式改變著人類的生產和生活。隨著全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）的迅猛發展，尤其是近年來我國的“北斗”衛星導航產業的蓬勃興起，GNSS天線的研究也越來越受到關注[1?3]。目前的問題是，大多數的天線只能覆蓋單一的頻帶，或工作在某一個系統，效率低，因此多頻帶GNSS天線具有非常廣闊的應用空間。另一方面，無論軍事領域還是民用領域，在保密通信、對抗干擾等方面的要求越來越高，理想中的頻率可重構天線可以通過機械配合，具備動態改變其工作頻率的特性。研究這類具備頻率可重構特性的天線具有十分重要的實際意義。

液態金屬鎵銦合金（Eutectic Gallium?Indium，EGaIn）于2009年應用到天線的設計領域[4?8]。EGaIn熔點低，常溫下呈現液態。利用液態金屬的液態屬性和自我修復能力，也將其運用到可重構天線設計中。

隨著衛星通信技術的不斷發展，螺旋天線成為電話、電視和數據空間通信的重要工具，同時為衛星和地面站所采用。由于螺旋天線具有圓極化、高增益及簡單性等特性，它們被廣泛地單獨使用或組陣。錐形螺旋天線是柱形螺旋天線的一種變形，除了擁有傳統螺旋天線高增益、寬頻帶的優勢外，還具有抑制旁瓣的特點。因此，利用液態金屬設計錐形螺旋天線對于頻率可重構的多頻帶GNSS天線具有重要意義。

本文提出一種新型頻率可重構的液態金屬螺旋天線，這種螺旋天線適用于GNSS系統，包括GPS，GLONASS，BDS?2B1，BDS?1S。通過機械輔助泵抽取的方式實現頻率的重構，即有“隱身”的功能，具備一定的保密特性。采用HFSS軟件對天線進行設計仿真，并通過軟件優化功能對螺旋天線進行阻抗匹配。

1 ?理論分析與結構設計

1.1 ?理論分析

GNSS中的主要頻段和輻射模式如表1所示。可以看出GPS L1，GLONASS L1和BDS?2B1的頻段非常接近。本文提出的螺旋天線具備頻率可重構的特性，設計兩個頻段，覆蓋BDS?1S和GPS L1兩個頻段，實現GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S系統內相互合作。

1.2 ?結構設計

所提出的天線結構如圖1所示，采用兩個錐形螺旋天線共享一段導體帶條匹配的模式。兩個螺旋天線A，B分別設計其中心頻率為1 600 MHz和2 492 MHz。聚四氟乙烯具有優良的化學穩定性、耐腐蝕性、密封性、高潤滑不粘性、電絕緣性和良好的抗老化耐力，已被用于可重構天線的設計[9]。螺旋天線采用外部管狀聚四氟乙烯包裹液態金屬EGaIn。選定聚四氟乙烯的相對介電常數為[εr≈2.55]。其外徑與內徑分別為6 mm和4 mm。所設計的可重構螺旋天線結合了聚四氟乙烯的高潤滑不粘性和EGaIn的流動性，采用泵抽取的方式，兩個聚四氟乙烯螺旋管分別充滿液態金屬，使得天線具備可重構的特性。

錐形螺旋天線的參數方程為[10]：

[x=R+R-R2πNtcos ty=R+R-R2πNtsin tz=Rtanα0+（α1-α0）t2πNπ180t]

式中：[R]和[R]分別為錐形螺旋天線的頂面半徑和底面半徑;[α0]為起始升角;[α1]為終止升角;[N]為螺旋圈數。參數[t]定義為螺旋管環繞過程的弧度變化，其取值范圍在（0，[2πN]）。

1.3 ?結構設計

本次設計的螺旋天線，為了降低剖面且保證指標，采用截斷式結構和變升角的設計 [11];同時，兩個螺旋主體天線采用同一段導體帶條進行匹配。在帶條上置有兩條折痕線，兩個中心頻率匹配兩個尺寸的帶條。兩個中心頻率的饋電點到接地板的高度分別為[h1]和[h2]，將兩個饋電點選取在同一條垂直于接地板的直線上。因為兩個螺旋天線主體采用截斷結構和變升角相結合的方式設計，另一方面螺旋主體不能交叉并且盡可能減少交疊，所以設計的過程中，饋電點的位置就尤為重要，選取的饋電點分別位于導體帶條的兩側。中心頻率為1 600 MHz時，[Wp]表示導體帶條寬度，[Lp]表示導體帶條長度，饋電點高度為[h1];中心頻率為2 492 MHz時，分別表示為[W′p]和[L′p]，饋電點高度為[h2]，它們的具體數值需通過仿真確定。

2 ?天線的仿真

為滿足軸向輻射模式，當中心頻率為1 600 MHz時，選取底面半徑[R′A]=33 mm;當中心頻率為2 492 MHz時，底面半徑[R′B]=20 mm。螺旋圈數[N=4]。在設計錐形天線底面半徑確定的基礎上，采用HFSS仿真軟件對天線進行仿真，獲得不同中心頻率的兩個錐形天線升角均為[α0=]13°，[α1=]7°，頂面半徑[RA=]4 mm，[RB=]12.8 mm。

利用仿真軟件對輸入阻抗進行匹配仿真，在中心頻率分別為1 600 MHz和2 492 MHz處，通過優化分別得到[Wp]，[Lp]，[h1]，[h2]，[W′p]和[L′p]的取值。圖2給出了兩個饋電點起始位置到接地板高度[h1]，[h2]的取值的選擇，這兩個值的選取將影響天線的軸比帶寬。圖3給出了帶條寬度[Wp]、帶條長度[Lp]隨頻率的變化對阻抗的影響，它分別影響了阻抗虛部和阻抗實部。

根據設計要求及上述分析得到優化后的天線結構參數如表2所示。

圖4為反射系數隨頻率變化的曲線，反射系數小于-15 dB的頻率分別覆蓋兩個頻段。可見，在GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S工作頻帶范圍內，輸入取得了良好的阻抗匹配。

圖5和圖6分別為軸比、增益隨頻率的變化規律。可以看出在設計的兩個頻段內軸比均小于3 dB;增益均高于3 dB。

3 ?結 ?論

本文采用聚四氟乙烯包裹液態金屬EGaIn的結構，采用泵抽取的方式，利用截斷型結構、變升角和長度可調的導體帶條設計優化天線性能，提出一種頻率可重構的液態金屬的錐形螺旋天線，具有體積小、可重構和易于保密等特點。在多系統的GNSS領域，作為多頻帶GNSS天線具有非常廣闊的應用空間。

注：本文通訊作者為房少軍。

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