一種UHF/S頻段衛(wèi)星通信集成天線研究?

彭文均 毛 勇 章 敏 羅 曼

（1.武漢市長虹橋37-1號 武漢 430060）（2.武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

隨著電子信息技術和作戰(zhàn)使命任務的不斷發(fā)展，迫切需要增加傳輸質量更高的衛(wèi)星通信手段。為此，提出了一種UHF及S頻段衛(wèi)星通信集成天線的概念，應用小型化、集成天線技術實現(xiàn)UHF、S頻段衛(wèi)星通信組合天線設計［1～2］。

2 天線原理分析

2.1 十字交叉振子天線

十字交叉振子天線由兩付對稱振子天線正交而成，兩副天線間90°相移饋電，從而保證空間疊加成圓極化電磁場［1～4］。其示意圖如圖1所示。

圖1 十字交叉振子天線示意圖

2.2 微帶天線

微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼加導體薄片而形成的天線，它利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。導體貼片一般是規(guī)則形狀的面積單元，如矩形、圓形等［1～3，5～6］。其示意圖如圖 2所示。

設微帶天線貼片長為a，寬為b，介質板高度為h，介質板相對介電常數(shù)為εr，微帶天線等效介電常數(shù)εe為

線伸長Δl為

貼片長a為

微帶天線的TM01模和TM10模在Z軸方向的輻射場形成兩正交分量。為使在邊射方向形成圓極化波，要求同時激勵這兩個極化正交模，并要求

為此，取貼片近于方形，即0＜(b-a)＜a。通過選取合適的設計參數(shù)a、b，饋電點位置(x0,y0)，并設計合適的“簡并分離元”（即引入微擾Δs，具體為貼片開槽、倒角、變換長度、引入支節(jié)等），可滿足圓極化條件。

2.3 諧振式四臂螺旋天線

諧振式四臂螺旋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，相位依次相差90°；非饋電端開路（M為奇數(shù)時）或短路（M為偶數(shù)時）［7～8］。四臂螺旋可以看成由兩個90°相移的雙臂螺旋組成。

諧振式四臂螺旋天線的結構參數(shù)可由下式確定：

其中：Lax為螺旋天線的軸向長度（mm），P為螺旋的螺距（mm），Lele為螺旋臂的長度（mm），r0為螺旋的半徑（mm），N為螺旋的圈數(shù)。

3 天線設計

3.1 UHF衛(wèi)星通信天線設計

3.1.1 UHF衛(wèi)星通信天線形式選擇

在UHF頻段可供選擇的常見小型衛(wèi)星通信天線形式主要有十字交叉振子天線、微帶天線、諧振式四臂螺旋天線等形式。

1）十字交叉振子天線形式

十字交叉振子天線工作于諧振模式，其輻射臂長度約為l=0.5λ。在其底部加上背射板可以獲得單向輻射特性。若選用十字交叉振子天線，考慮到所需工作頻段和天線直徑帶來的末端縮短效應，天線輻射臂長度將至少約為370mm。若引入發(fā)射板將進一步增加天線橫向尺寸。由于橫向尺寸過大，并且十字交叉振子天線圓極化帶寬很窄，因此十字交叉振子并不可取［2，4］。

2）微帶天線形式

選取常規(guī)材料為介質基片，如四氟乙烯/玻璃纖維增強材料（RT Duroid 5580），其相對介電常數(shù)為2.2，經(jīng)計算在所需工作頻率上，導體貼片長度約需320mm，導體接地板長度約需660mm。為了縮小天線體積，選取高介電常數(shù)的介質基片，一般選擇為氧化鋁瓷，其相對介電常數(shù)達到9.8，經(jīng)計算在所需工作頻率上，導體貼片長度仍需150mm，導體接地板長度約需310mm。即使選擇常見的高介電常數(shù)介質基片后，天線橫向尺寸仍相對較大，并且高介電常數(shù)介質基片將降低微帶天線的工作帶寬、增益、效率等，故微帶天線形式也并不可取。

3）四臂螺旋天線形式

四臂螺旋天線輻射方向圖的基本特征可用螺旋半徑r0和螺距P描述，通過選擇合適的參數(shù)，可產(chǎn)生很寬角度的圓極化波束。諧振式四臂螺旋天線相對于十字交叉振子天線和微帶天線具備更寬的輻射波束、更高的低仰角增益以及更好的圓極化性能［9～11］。

經(jīng)計算在所需工作頻率上，諧振式四臂螺旋天線橫向尺寸小于Φ145mm，半波長四臂螺旋天線縱向長度約300mm左右，全波長四臂螺旋天線縱向長度約580mm左右。

綜合天線性能和橫向尺寸的考慮，諧振式四臂螺旋天線是最優(yōu)選擇。

3.1.2 UHF衛(wèi)星通信天線輻射體設計

UHF衛(wèi)星通信天線采用嵌套式諧振四臂螺旋天線形式，由四根螺旋臂組成，四根螺旋臂饋電端電流相等，相位依次相差90°，以此實現(xiàn)圓極化功能。通過選擇合適的參數(shù)，四臂螺旋天線可產(chǎn)生很寬角度的圓極化波束。諧振式四臂螺旋天線帶寬很窄，難以在收、發(fā)頻段上共用一副天線。本設計采取收、發(fā)天線分開設計，嵌套式組合。其示意圖如圖3所示。

圖3 UHF衛(wèi)星通信天線輻射體示意圖

一般而言，嵌套式四臂螺旋天線因為內(nèi)外螺旋距離很近，存在很大的互耦，無論內(nèi)、外螺旋都比獨立工作時增益有一定降低；因此需要通過大量試驗以仔細調(diào)節(jié)內(nèi)、外螺旋的相對位置以盡可能優(yōu)化天線整體性能。

3.1.3 天線輻射體的饋電設計［1～2］

圖4 無限巴侖結構示意圖

諧振式四臂螺旋天線需平衡饋電。幾種不同形式的平衡饋電結構已經(jīng)應用在諧振式四臂螺旋天線中，如U型管、開槽線等。為了減輕重量和降低復雜度，采用一種精巧的無限巴倫結構，利用同軸電纜的內(nèi)導體外壁與外導體內(nèi)壁上的電流大小相等、方向相反的特點，將同軸饋電電纜內(nèi)導體延伸至一條螺旋臂內(nèi)，在天線頂部內(nèi)導體連接到對面的螺旋臂上，實現(xiàn)平衡饋電。簡化示意圖如圖4所示。

這種平衡饋電結構，利用了同軸電纜的內(nèi)導體外壁與外導體內(nèi)壁上的電流大小相等、方向相反的特點，可以對四臂螺旋天線中的一個雙臂螺旋進行饋電。

為了產(chǎn)生兩個雙臂螺旋間的90°相移，采用一個3dB定向耦合器，將合路信號轉換成大小相等、相位相差90°的兩路分路信號，再分別用這兩路信號給四臂螺旋天線的2個等效雙臂螺旋饋電，從而保證四臂螺旋天線四個螺旋臂饋電端的電流大小相等、相位依次相差90°。

3.2 S衛(wèi)星通信天線設計

3.2.1 S衛(wèi)星通信天線形式選擇

1）基于四臂螺旋形式

開路四臂螺旋型式S衛(wèi)星通信天線，其四個臂電流相等，相位依次相差90°。通過適當調(diào)整參數(shù)，可以得到良好的半球形波束。該種方案還需配備饋電匹配網(wǎng)絡，以提供四路幅度相等，相位依次相差90°的射頻信號。

該種方案的優(yōu)點為，可獲得良好的圓極化性能和較寬的波瓣寬度，缺點為需要配備額外的饋電匹配網(wǎng)絡，高度尺寸大，結構相對復雜。

2）基于微帶天線形式

微帶天線形式S衛(wèi)星通信天線，采用層疊結構和多片單點饋電設計，利用諧振頻率不同的多個貼片實現(xiàn)雙頻功能。通過適當調(diào)整微帶貼片的幾何尺寸，以及選取合適介電常數(shù)和厚度的基板，可獲得良好的圓極化性能和輻射特性。

該種方案同樣可獲得良好的圓極化性能，且剖面低，占用空間小，缺點為同樣需要配備饋電匹配網(wǎng)絡，波瓣寬度相比四臂螺旋型式窄，但仍能滿足要求。

綜合天線性能和結構尺寸等因素，基于微帶形式的S衛(wèi)星通信天線是更優(yōu)選擇。

3.2.2 S衛(wèi)星通信天線輻射體設計

常規(guī)微帶天線的頻帶很窄，一般約為中心頻率的1%～6%，通常實現(xiàn)雙頻或多頻工作的基本方式可分兩類：多片法和單片法。多片法一般采用層疊結構，利用諧振頻率不同的多個貼片來工作。單片法是利用幾種不同的自然模式來實現(xiàn)雙頻或多頻工作，或者通過加載、開槽的方法改變貼片各種自然模的場分布，進而使諧振頻率受到干擾，最終實現(xiàn)雙頻或多頻工作［12～13］。

本文采用層疊結構多片設計，利用諧振頻率不同的多個貼片來工作，實現(xiàn)S衛(wèi)通接收、發(fā)射雙頻工作，其結構示意圖如圖5所示。通過適當調(diào)整微帶貼片的幾何尺寸，以及選取合適介電常數(shù)和厚度的基板，來獲得良好的圓極化性能和輻射特性。其中上層貼片、上層基板與下層貼片構成S衛(wèi)通發(fā)射天線，下層貼片、下層基板與地板構成S衛(wèi)通接收天線。

圖5 S衛(wèi)星通信天線輻射體示意圖

3.2.3 S衛(wèi)星通信天線的饋電設計

普通的單貼片圓極化微帶天線，雖然無需外加任何饋電網(wǎng)絡就能實現(xiàn)圓極化，但其圓極化性能欠佳，為獲得較好的圓極化特性，采用雙點饋電技術，以激勵一對極化正交的簡并模。由饋電網(wǎng)絡來保證圓極化工作條件，即兩模幅度相等，相位相差90°。

饋電網(wǎng)絡選用Wilkinson功分器，通過其兩個輸出端對微帶天線進行等幅、相位相差90°饋電。功分器選用帶線結構，兩個Wilkinson功分器分布于同一層，分別對S衛(wèi)通發(fā)射、接收天線饋電。饋電網(wǎng)絡示意圖如圖6所示。

圖6 饋電網(wǎng)絡示意圖

3.3 UHF/S衛(wèi)星通信天線集成設計

為了保證UHF衛(wèi)星通信天線、S衛(wèi)星通信天線在水平面具備全向方向圖，只能沿中軸線集成設計，為了保證天線上半空間半球形方向圖，將尺寸較小的S衛(wèi)星通信天線集成至UHF衛(wèi)星通信天線頂部。UHF衛(wèi)星通信天線設計為右旋圓極化，S衛(wèi)星通信天線設計為左旋圓極化，可以保證兩天線單元間的隔離度。這兩副天線輻射體雖為上下安裝形式，但其部分饋線、器件等仍不可避免地在空間上需要組合布置，需要盡量減小由于天線組合布置后給電氣性能帶來的影響。

UHF衛(wèi)星通信天線、S衛(wèi)星通信天線集成后整機仿真模型如圖12所示。因S衛(wèi)星通信天線位于UHF衛(wèi)星通信天線上方，不可避免地對其有遮擋，所以集成后需重點考慮優(yōu)化UHF衛(wèi)星通信天線的方向圖。經(jīng)優(yōu)化設計，集成后的UHF衛(wèi)星通信天線單元可獲得較好的方向圖和較寬的0dB波束寬度，相關仿真結果如圖8～圖11所示。

圖7 UHF/S衛(wèi)星通信天線整機仿真模型圖

圖8 集成后的UHF衛(wèi)星通信天線駐波比

4 UHF/S衛(wèi)星通信集成天線實測數(shù)據(jù)

加工制作了UHF/S衛(wèi)星通信集成天線樣機，其測試結果如圖12～圖15所示。

圖9 集成后的S衛(wèi)星通信天線駐波比

圖10 集成后的UHF衛(wèi)星通信天線方向圖

5 結語

一種UHF及S頻段衛(wèi)星通信集成天線采用無限巴侖技術和收發(fā)天線嵌套設計，形成雙頻UHF衛(wèi)星通信天線；采用雙點饋電和多片層疊設計，形成雙頻S衛(wèi)星通信天線；并通過空間隔離、極化隔離技術，實現(xiàn)UHF衛(wèi)星、S衛(wèi)星通信天線單元共軸集成，形成柱狀多頻段天線。天線具有結構緊湊、多頻道工作互不干擾、可靠性強和便于操控等特點，主要性能滿足研究要求，實測結果與仿真結果基本吻合。

圖11 集成后的S衛(wèi)星通信天線方向圖

圖12 集成后的UHF衛(wèi)星通信天線測試駐波比

圖13 集成后的S衛(wèi)星通信天線測試駐波比

圖14 集成后的UHF衛(wèi)星通信天線測試方向圖