AIS二元八木天线阵列

展菲　孙玉强　丁潇飞　杨建红　王晓琪

【摘 要】AIS基站天线通信距离及覆盖区域难以根据交通密度进行调控等问题一直困扰着各沿海船舶交管中心（VTS）。针对上述问题，设计了AIS基站可控式二元八木天线阵列，并对该天线进行大量实验和仿真。通过实验发现，天线阵在天气良好条件下的最大通信距离可达50海里以上。且天线覆盖区域可以快速变换，进而监控区域可以动态调整。该天线阵既可以作为AIS基站天线，也可以作为卫星基站天线。

【关键词】AIS基站；八木天线阵；可控式天线；方向图

中图分类号： U675.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）30-0184-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.081

AIS Binary Yagi Antenna Array

ZHAN Fei SUN Yu-qiang DING Xiao-fei YANG Jian-hong WANG Xiao-qi

（Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China）

【Abstract】The communication distance and coverage area of the antenna of the AIS basic station is difficult to adjust and control according to traffic density.This question has been troubling the Coastal Ship Traffic Control Center （VTS）. To solve the question above ，AIS binary yagi antenna array has been designed， and a lot of simulations and experiments have been done. It turns out that the maximum communication distance of the antenna array in good weather is more than 50 nautical miles. And the coverage area of the antenna can change rapidly， so that the monitoring areas can be dynamically adjusted. The antenna array not only can be the AIS basic station antenna， but also can be the satellite base station antenna.

【Key words】AIS basic station； Yagi antenna array； Controllability； Directional diagram

0 引言

目前在AIS基站使用的天線大多是全向天线，由于全向天线增益较小，有效的作用距离约为30海里，信号接收范围为360度全方位，为解决此问题，八木天线的构想被提出，随后得到了广泛的应用，随着技术的进步，其中存在的问题一步步显现出来。由此，经过仿真和大量实验探索，建立了旋转可控式岸基AIS八木天线阵列。旋转可控式岸基AIS八木天线阵列将定向天线和全向天线作了一个结合，以弥补各自的不足，能做到有效地接收信号。既实现信息广播，也可以实现区域性信息播发，降低时隙冲突。

1 天线模型与结构

本文所设计的旋转可控式岸基AIS八木天线阵列如图1所示，天线阵由两个八木天线组成，每个八木天线由一个反射阵面，半波折合有源振子和十余个双排振子天线阵组成。其主轴可以通过电控调节转向和转速，进而带动两天线元进行旋转。在旋转过程中，两天线既可以保持平行状态同时旋转（同步旋转），又能够沿着自己的主轴各自旋转（异步旋转）。天线的伸缩拉杆两端各连接一个天线阵元，连接点处有转轴，带动每个天线阵元旋转。当两八木天线平行时，天线增益理论上最大，当天各自旋转时，可以动态控制天线旋转而调节天线阵列的覆盖区域。这样，可以实现对船舶的跟踪和远距离船舶的AIS数据获取。

图2所示的是八木天线阵列的仿真示意图，所用仿真软件是基于有限元算法的HFSS，天线的有源振子用半波对称振子来代替，天线的无源引向振子数目可以调整，同时天线阵中的两八木天线角度也可以动态调节。天线仿真的空间为理想辐射空间，边界为理想吸收边界。天线材料设置为铝，反射振子长度为0.52，半波有源振子长度为0.5，各个引向振子长度均为0.44。

2 结果与分析

根据天线阵工作原理，振子之间的距离远近与振子之间耦合密切相关，因此天线阵元间的距离必定影响辐射特性。图3所示为天线阵元间距分别为 /2，3/4，和时的二元八木天线阵列回波损耗特性。在试验和理论仿真中，两天线设置为平行，每个天线阵元中的无源反射振子数为3个。可以看出，天线理论仿真和实验测试结果相差不大，而且功分器输入端口的回波损耗随天线阵元间距变化也不大。谐振频率在162MHz时，天线的回波损耗在-20dB左右，天线驻波比在1.2以下，具有相当好的阻抗特性。这就证明，两天线阵元的动态调控对天线反射特性影响不大。在对天线进行水平区域调控时，得出它的正面功率在14db左右，反向接收功率在-8db左右。

天线阵列同一元八木天线比较如图4所示，天线方向图为归一化方向图，可以看出二元八木天线阵列在平行时，天线增益比单一八木天线大近3dB，通信距离要远很多，而单一八木天线的通信距离相对较近。经测试，单一八木天线通信距离在30-40海里左右，二元天线阵平行时，天线通信距离在60海里以上。

3 结论

可控式二元八木天线阵结合了定向性八木天线和全向性八木天线的优势，在各个方面都将天线的作用提升了很大的高度。它通过一个电控装置将天线阵实现在角度和速度实时转换，改善不同情况下接收信号不良的状况，并且可控式八木天线阵可以对波数进行调控，从而改变天线的覆盖范围区域，以及对船舶实施有效的监控。通过动态调控天线性能，可以实现船舶跟踪，避免时隙冲突，增加通信距离。可控式二元八木天线阵可在海事局VTS的VHF基站、国内甚至全球推广，并且不仅局限于VHF岸站，在船上也可得到应用。

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