频率可重构的液态金属锥形螺旋天线的仿真设计

周芸 房少军 刘宏梅 王钟葆

关键词： 液态金属; 螺旋天线; 频率重构; GNSS天线; 高增益; 易保密

中图分类号： TN82?34                          文献标识码： A                           文章编号： 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

卫星通信是利用卫星作为中继来实现地面终端站、载体移动站以及便携终端之间相互通信，逐渐以一种全新的方式改变着人类的生产和生活。随着全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）的迅猛发展，尤其是近年来我国的“北斗”卫星导航产业的蓬勃兴起，GNSS天线的研究也越来越受到关注[1?3]。目前的问题是，大多数的天线只能覆盖单一的频带，或工作在某一个系统，效率低，因此多频带GNSS天线具有非常广阔的应用空间。另一方面，无论军事领域还是民用领域，在保密通信、对抗干扰等方面的要求越来越高，理想中的频率可重构天线可以通过机械配合，具备动态改变其工作频率的特性。研究这类具备频率可重构特性的天线具有十分重要的实际意义。

液态金属镓铟合金（Eutectic Gallium?Indium，EGaIn）于2009年应用到天线的设计领域[4?8]。EGaIn熔点低，常温下呈现液态。利用液态金属的液态属性和自我修复能力，也将其运用到可重构天线设计中。

随着卫星通信技术的不断发展，螺旋天线成为电话、电视和数据空间通信的重要工具，同时为卫星和地面站所采用。由于螺旋天线具有圆极化、高增益及简单性等特性，它们被广泛地单独使用或组阵。锥形螺旋天线是柱形螺旋天线的一种变形，除了拥有传统螺旋天线高增益、宽频带的优势外，还具有抑制旁瓣的特点。因此，利用液态金属设计锥形螺旋天线对于频率可重构的多频带GNSS天线具有重要意义。

本文提出一种新型频率可重构的液态金属螺旋天线，这种螺旋天线适用于GNSS系统，包括GPS，GLONASS，BDS?2B1，BDS?1S。通过机械辅助泵抽取的方式实现频率的重构，即有“隐身”的功能，具备一定的保密特性。采用HFSS软件对天线进行设计仿真，并通过软件优化功能对螺旋天线进行阻抗匹配。

1  理論分析与结构设计

1.1  理论分析

GNSS中的主要频段和辐射模式如表1所示。可以看出GPS L1，GLONASS L1和BDS?2B1的频段非常接近。本文提出的螺旋天线具备频率可重构的特性，设计两个频段，覆盖BDS?1S和GPS L1两个频段，实现GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S系统内相互合作。

1.2  结构设计

所提出的天线结构如图1所示，采用两个锥形螺旋天线共享一段导体带条匹配的模式。两个螺旋天线A，B分别设计其中心频率为1 600 MHz和2 492 MHz。聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力，已被用于可重构天线的设计[9]。螺旋天线采用外部管状聚四氟乙烯包裹液态金属EGaIn。选定聚四氟乙烯的相对介电常数为[εr≈2.55]。其外径与内径分别为6 mm和4 mm。所设计的可重构螺旋天线结合了聚四氟乙烯的高润滑不粘性和EGaIn的流动性，采用泵抽取的方式，两个聚四氟乙烯螺旋管分别充满液态金属，使得天线具备可重构的特性。

锥形螺旋天线的参数方程为[10]：

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

式中：[R]和[R]分别为锥形螺旋天线的顶面半径和底面半径;[α0]为起始升角;[α1]为终止升角;[N]为螺旋圈数。参数[t]定义为螺旋管环绕过程的弧度变化，其取值范围在（0，[2πN]）。

1.3  结构设计

本次设计的螺旋天线，为了降低剖面且保证指标，采用截断式结构和变升角的设计 [11];同时，两个螺旋主体天线采用同一段导体带条进行匹配。在带条上置有两条折痕线，两个中心频率匹配两个尺寸的带条。两个中心频率的馈电点到接地板的高度分别为[h1]和[h2]，将两个馈电点选取在同一条垂直于接地板的直线上。因为两个螺旋天线主体采用截断结构和变升角相结合的方式设计，另一方面螺旋主体不能交叉并且尽可能减少交叠，所以设计的过程中，馈电点的位置就尤为重要，选取的馈电点分别位于导体带条的两侧。中心频率为1 600 MHz时，[Wp]表示导体带条宽度，[Lp]表示导体带条长度，馈电点高度为[h1];中心频率为2 492 MHz时，分别表示为[W′p]和[L′p]，馈电点高度为[h2]，它们的具体数值需通过仿真确定。

2  天线的仿真

为满足轴向辐射模式，当中心频率为1 600 MHz时，选取底面半径[R′A]=33 mm;当中心频率为2 492 MHz时，底面半径[R′B]=20 mm。螺旋圈数[N=4]。在设计锥形天线底面半径确定的基础上，采用HFSS仿真软件对天线进行仿真，获得不同中心频率的两个锥形天线升角均为[α0=]13°，[α1=]7°，顶面半径[RA=]4 mm，[RB=]12.8 mm。

利用仿真软件对输入阻抗进行匹配仿真，在中心频率分别为1 600 MHz和2 492 MHz处，通过优化分别得到[Wp]，[Lp]，[h1]，[h2]，[W′p]和[L′p]的取值。图2给出了两个馈电点起始位置到接地板高度[h1]，[h2]的取值的选择，这两个值的选取将影响天线的轴比带宽。图3给出了带条宽度[Wp]、带条长度[Lp]随频率的变化对阻抗的影响，它分别影响了阻抗虚部和阻抗实部。

根据设计要求及上述分析得到优化后的天线结构参数如表2所示。

图4为反射系数随频率变化的曲线，反射系数小于-15 dB的频率分别覆盖两个频段。可见，在GPS L1，GLONASS L1，BDS?2B1和BDS?1S工作频带范围内，输入取得了良好的阻抗匹配。

图5和图6分别为轴比、增益随频率的变化规律。可以看出在设计的两个频段内轴比均小于3 dB;增益均高于3 dB。

3  结  论

本文采用聚四氟乙烯包裹液态金属EGaIn的结构，采用泵抽取的方式，利用截断型结构、变升角和长度可调的导体带条设计优化天线性能，提出一种频率可重构的液态金属的锥形螺旋天线，具有体积小、可重构和易于保密等特点。在多系统的GNSS领域，作为多频带GNSS天线具有非常广阔的应用空间。

注：本文通讯作者为房少军。

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