一种宽带低剖面动中通天线单元的设计

郑文泉，马岩冰，薛玲珑，黄 一

(上海航天电子技术研究所，上海201109)



一种宽带低剖面动中通天线单元的设计

郑文泉，马岩冰，薛玲珑，黄 一

(上海航天电子技术研究所，上海201109)

针对目前移动卫星通信系统中对天线性能、形式的需求，设计了一种宽带低剖面动中通天线单元。该天线单元由加载金属栅格的二联装角锥喇叭天线、正交模耦合器和H-T波导功分器组合构成。其中正交模耦合器采用阶梯阻抗匹配的方波导与耦合波导相结合的方法作分析设计。仿真结果表明，天线单元的带宽可达到30%，极化隔离度在-62 dB以下，同时天线单元结构紧凑，剖面较低。

宽带；低剖面；角锥喇叭天线；正交模耦合器；波导功分器

0 引言

动中通天线是卫星移动通信系统中的重要组成部分，可在车载、船载和机载等移动载体快速移动中实现系统长时间、不间断的高速率信息传输[1]；同时，能满足应急通信保障系统中高标准、高可靠性的要求，可广泛应用于新闻采集和应急指挥等领域[2]。

如何采用最小的口径、最低的剖面，实现最优的天线性能，是动中通天线研究的热点[3]。目前主要有抛物反射面天线[4]、透镜天线[5]和平板阵列天线[6]3种结构实现形式。抛物反射面天线的优点是频带宽、旁瓣特性好，且设计简单、易于实现。一般适合应用于体积较大的移动载体(如船舶、大型车辆等)。介质透镜天线因其在扫描时增益基本不下降的优点，被应用于多频段、扫描范围大的中低轮廓动中通天线。与前面2种天线相比，平板阵列天线以其效率高、重量轻及体积小等优点，已成为当前动中通天线的主要发展方向[7]。而阵列单元的设计是平板阵列动中通天线的关键[8]，目前国内外文献对其做详细介绍的较少[9]。

本文旨在设计一种基于宽带低剖面的平板动中通天线单元，单元由加载金属栅格的二联装角锥喇叭天线、正交模耦合器和H-T波导功分器组合构成。其中通过采用阶梯阻抗匹配的方波导与耦合波导相结合的方法分析设计宽带、高隔离度的正交模耦合器。

1 单元结构

本文平板阵列动中通天线单元的结构示意图如图1所示。单元由加载金属栅格的二联装角锥喇叭天线、正交模耦合器及H-T功分器组合构成。金属栅格将角锥喇叭天线等分成2个大小相等的正方形口径。其中金属栅格厚度为t，等分的正方形口径长度为l，角锥喇叭天线口径长度为h。在垂直于口径面的方向，角锥喇叭天线的高度为d1，正交模耦合器的高度为d2。图1中D1和D3为垂直极化馈电端口，D2为水平极化馈电端口。

另外，天线的接收工作频段为10.7～12.75 GHz，发射工作频段为13.75～14.5 GHz，其最小工作波长λmin为20.7 mm。

图1 单元结构示意

2 单元设计

2.1 二联装角锥喇叭天线

从图1可以看出，通过加载金属栅格，可将角锥喇叭天线的口径面等分成2个大小相等的正方形口径，以使水平极化波和垂直极化波能同时在波导中传播；另外，加载金属栅格可使电场在正方形口径面呈等相位分布。

由图1可知，动中通阵列天线单元间距d可表示为：

d=l+t。

(1)

这里将金属栅格的厚度t设为1 mm。

另外基于阵列理论[10]，阵列天线远场方向图不出现栅瓣时，单元间距d需满足下式：

(2)

式中，θs为天线的最大扫描角，这里取为0°。结合式(1)和式(2)可知，l=19 mm，h=39 mm。

2.2 正交模耦合器

单元中的正交模耦合器在物理结构上可表示为一个三端口网络，分别为A端口、B端口及C端口，如图2所示。它由方波导、耦合波导及阶梯阻抗匹配块构成，其中A端口可同时传播在方波导中相互正交的TE01与TE10模式，而B端口与C端口分别传播各自的TE10基模。

图2 正交模耦合器结构示意

A端口与C端口之间的阻抗匹配可通过阶梯阻抗变换实现。在实际匹配网络的选择中，需要考虑以下因素：

① 复杂性。如同多数工程解答一样，满足所需特性的最简单设计通常是最可取的。一个较简单的匹配网络通常是既便宜又可靠的，而且与较复杂的设计相比有更小的损耗。

② 带宽。任何类型的匹配网络理想情况下在一个信号频率上能给出全匹配。但在许多应用中，我们希望在一个频带上与负载匹配。有几种方法能达到此目的，当然复杂性会相应增加。

③ 实现。根据所用的传输线和波导的类型，一种类型的匹配网络可能比另一类更可取。

④ 可调性。在某些应用中，为了匹配一个可变负载阻抗，匹配网络可能需要调节。在这方面，某些类型的匹配网络要比其他类型的匹配网络更适合需要。

由于天线的工作带宽为30.2%，常用的1/4波长阻抗变换器无法实现。这里采用在通带内具有等波纹特性的切比雪夫阻抗变换器[11]，其反射系数可表示为：

Γ(θ)=Ae-jNθTN(secθmcosθ)。

(3)

式中，A为常数，表示通带内的最大允许反射系数幅值Γm；N为阶梯阻抗变换的级数，这里取为3；secθm可表示为：

(4)

式中，ZL为负载阻抗；Z0为特征阻抗。矩形波导的特征阻抗为：

(5)

式中，a和b分别对应波导的宽边和窄边。这里C端口选用标准BJ140波导，B端口选用对应的半高波导。

结合式(3)、式(4)及式(5)，经过参数优化后可得到L1=11 mm，L2=5.7 mm，L3=7.8 mm，L4=4 mm。

另外，为使单元级联组阵后的结构更紧凑，B端口对应的耦合波导在阶梯阻抗匹配块上开槽。

2.3 H-T波导功分器

单元中的H-T波导功分器结构如图3所示。与常规的H-T波导功分器不同，这里采用半高波导，其波导的宽边及窄边尺寸分别为15.8 mm和3.95 mm；另外，通过加载调谐圆柱及长方形缝隙，可调节该功分器的驻波性能。

图3 H-T波导功分器示意

H-T波导功分器的驻波曲线及端口的插入损耗分别如图4(a)和图4(b)所示。

图4 H-T波导功分器电性能曲线

由图4可知，在接收及发射的工作频带内，功分器D端口的驻波在1.1以下，且E端口和F端口的插入损耗均在-3.0 dB左右。

3 仿真结果

在前面的基础上，采用HFSS仿真软件对该天线单元的电磁特性作分析。其中金属栅格厚度t=1 mm，等分的正方形口径长度l=19 mm，角锥喇叭天线口径长度h=39 mm，角锥喇叭天线的高度d1=23 mm，正交模耦合器的高度d2=27.9 mm。由此可知阵列单元的剖面高度为50.9 mm，小于2.5λmin。

保持上面的几何结构参数不变，阵列单元D1端口、D2端口和D3端口的仿真驻波曲线如图5所示。由图5可知，D1端口和D2端口之间的隔离度在-62 dB以下，2个端口之间的相互影响很小；D1端口和D3端口的驻波曲线一致，且3个端口的驻波值均在1.6以下。

图5 阵列单元端口驻波曲线

阵列单元端口隔离度曲线如图6所示。

图6 阵列单元端口隔离度曲线

通过上述仿真分析，可得到以下结论：

① 天线单元的水平极化端口和垂直极化端口的驻波均在1.6以下，隔离度在-62 dB以下；

② 天线单元的阻抗带宽可达到30%，且剖面高度小于2.5λmin。

4 结束语

本文通过采用带金属栅格的二联装角锥喇叭天线、正交模耦合器和H-T功分器，设计了一种宽带低剖面动中通天线单元。该天线单元的带宽可达到30%，极化隔离度在-62 dB以下，且天线单元的结构紧凑，剖面较低，可满足移动卫星通信系统对动中通天线单元的要求。

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郑文泉 男,(1986—),博士，工程师。主要研究方向：阵列天线、相控阵天线。

马岩冰 男,(1979—),博士，工程师。主要研究方向：阵列天线。

A Broadband and Low Profile Array Element for “Satcom on the Move” Application

ZHENG Wen-quan,MA Yan-bing,XUE Ling-long,HUANG Yi

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

According to the requirements of mobile satellite communications on antenna performance and shape,a broadband and low profile array element of “Satcom on the Move” is presented.The antenna cell can be comprised of two pyramidal horn antennas with metal grids,Orthomode Transducer(OMT)and H-T waveguide power divider.The OMT adopts the idea of square waveguide using stepped impedance matching method combined with a coupling waveguide together.The simulated results indicate that with an optimum design,the bandwidth of the antenna element can be up to 30% with the polarized isolation below -62 dB and the aperture and profile minimized.

broadband;low profile;pyramidal horn antenna;OMT;waveguide power divider

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.14

郑文泉，马岩冰，薛玲珑，等.一种宽带低剖面动中通天线单元的设计[J].无线电工程,2016,46(12):54-57.

2016-08-18

上海航天技术研究院核攀基金资助项目(ZY2014-023)。

TN82

A

1003-3106(2016)12-0054-04