一种UHF/S频段卫星通信集成天线研究∗

2020-07-09彭文均

舰船电子工程 2020年5期

关键词：馈电振子贴片

彭文均毛勇章敏罗曼

（1.武汉市长虹桥37-1号武汉 430060）（2.武汉船舶通信研究所武汉 430205）

1 引言

随着电子信息技术和作战使命任务的不断发展，迫切需要增加传输质量更高的卫星通信手段。为此，提出了一种UHF及S频段卫星通信集成天线的概念，应用小型化、集成天线技术实现UHF、S频段卫星通信组合天线设计［1～2］。

2 天线原理分析

2.1 十字交叉振子天线

十字交叉振子天线由两付对称振子天线正交而成，两副天线间90°相移馈电，从而保证空间叠加成圆极化电磁场［1～4］。其示意图如图1所示。

图1 十字交叉振子天线示意图

2.2 微带天线

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线，它利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形等［1～3，5～6］。其示意图如图 2所示。

设微带天线贴片长为a，宽为b，介质板高度为h，介质板相对介电常数为εr，微带天线等效介电常数εe为

线伸长Δl为

贴片长a为

微带天线的TM01模和TM10模在Z轴方向的辐射场形成两正交分量。为使在边射方向形成圆极化波，要求同时激励这两个极化正交模，并要求

为此，取贴片近于方形，即0＜(b-a)＜a。通过选取合适的设计参数a、b，馈电点位置(x0,y0)，并设计合适的“简并分离元”（即引入微扰Δs，具体为贴片开槽、倒角、变换长度、引入支节等），可满足圆极化条件。

2.3 谐振式四臂螺旋天线

谐振式四臂螺旋天线由四根螺旋臂组成，每根螺旋臂长度为Mλ/4（M为整数）。四根螺旋臂馈电端电流相等，相位依次相差90°；非馈电端开路（M为奇数时）或短路（M为偶数时）［7～8］。四臂螺旋可以看成由两个90°相移的双臂螺旋组成。

谐振式四臂螺旋天线的结构参数可由下式确定：

其中：Lax为螺旋天线的轴向长度（mm），P为螺旋的螺距（mm），Lele为螺旋臂的长度（mm），r0为螺旋的半径（mm），N为螺旋的圈数。

3 天线设计

3.1 UHF卫星通信天线设计

3.1.1 UHF卫星通信天线形式选择

在UHF频段可供选择的常见小型卫星通信天线形式主要有十字交叉振子天线、微带天线、谐振式四臂螺旋天线等形式。

1）十字交叉振子天线形式

十字交叉振子天线工作于谐振模式，其辐射臂长度约为l=0.5λ。在其底部加上背射板可以获得单向辐射特性。若选用十字交叉振子天线，考虑到所需工作频段和天线直径带来的末端缩短效应，天线辐射臂长度将至少约为370mm。若引入发射板将进一步增加天线横向尺寸。由于横向尺寸过大，并且十字交叉振子天线圆极化带宽很窄，因此十字交叉振子并不可取［2，4］。

2）微带天线形式

选取常规材料为介质基片，如四氟乙烯/玻璃纤维增强材料（RT Duroid 5580），其相对介电常数为2.2，经计算在所需工作频率上，导体贴片长度约需320mm，导体接地板长度约需660mm。为了缩小天线体积，选取高介电常数的介质基片，一般选择为氧化铝瓷，其相对介电常数达到9.8，经计算在所需工作频率上，导体贴片长度仍需150mm，导体接地板长度约需310mm。即使选择常见的高介电常数介质基片后，天线横向尺寸仍相对较大，并且高介电常数介质基片将降低微带天线的工作带宽、增益、效率等，故微带天线形式也并不可取。

3）四臂螺旋天线形式

四臂螺旋天线辐射方向图的基本特征可用螺旋半径r0和螺距P描述，通过选择合适的参数，可产生很宽角度的圆极化波束。谐振式四臂螺旋天线相对于十字交叉振子天线和微带天线具备更宽的辐射波束、更高的低仰角增益以及更好的圆极化性能［9～11］。

经计算在所需工作频率上，谐振式四臂螺旋天线横向尺寸小于Φ145mm，半波长四臂螺旋天线纵向长度约300mm左右，全波长四臂螺旋天线纵向长度约580mm左右。

综合天线性能和横向尺寸的考虑，谐振式四臂螺旋天线是最优选择。

3.1.2 UHF卫星通信天线辐射体设计

UHF卫星通信天线采用嵌套式谐振四臂螺旋天线形式，由四根螺旋臂组成，四根螺旋臂馈电端电流相等，相位依次相差90°，以此实现圆极化功能。通过选择合适的参数，四臂螺旋天线可产生很宽角度的圆极化波束。谐振式四臂螺旋天线带宽很窄，难以在收、发频段上共用一副天线。本设计采取收、发天线分开设计，嵌套式组合。其示意图如图3所示。

图3 UHF卫星通信天线辐射体示意图

一般而言，嵌套式四臂螺旋天线因为内外螺旋距离很近，存在很大的互耦，无论内、外螺旋都比独立工作时增益有一定降低；因此需要通过大量试验以仔细调节内、外螺旋的相对位置以尽可能优化天线整体性能。

3.1.3 天线辐射体的馈电设计［1～2］

图4 无限巴仑结构示意图

谐振式四臂螺旋天线需平衡馈电。几种不同形式的平衡馈电结构已经应用在谐振式四臂螺旋天线中，如U型管、开槽线等。为了减轻重量和降低复杂度，采用一种精巧的无限巴伦结构，利用同轴电缆的内导体外壁与外导体内壁上的电流大小相等、方向相反的特点，将同轴馈电电缆内导体延伸至一条螺旋臂内，在天线顶部内导体连接到对面的螺旋臂上，实现平衡馈电。简化示意图如图4所示。

这种平衡馈电结构，利用了同轴电缆的内导体外壁与外导体内壁上的电流大小相等、方向相反的特点，可以对四臂螺旋天线中的一个双臂螺旋进行馈电。

为了产生两个双臂螺旋间的90°相移，采用一个3dB定向耦合器，将合路信号转换成大小相等、相位相差90°的两路分路信号，再分别用这两路信号给四臂螺旋天线的2个等效双臂螺旋馈电，从而保证四臂螺旋天线四个螺旋臂馈电端的电流大小相等、相位依次相差90°。

3.2 S卫星通信天线设计

3.2.1 S卫星通信天线形式选择

1）基于四臂螺旋形式

开路四臂螺旋型式S卫星通信天线，其四个臂电流相等，相位依次相差90°。通过适当调整参数，可以得到良好的半球形波束。该种方案还需配备馈电匹配网络，以提供四路幅度相等，相位依次相差90°的射频信号。

该种方案的优点为，可获得良好的圆极化性能和较宽的波瓣宽度，缺点为需要配备额外的馈电匹配网络，高度尺寸大，结构相对复杂。

2）基于微带天线形式

微带天线形式S卫星通信天线，采用层叠结构和多片单点馈电设计，利用谐振频率不同的多个贴片实现双频功能。通过适当调整微带贴片的几何尺寸，以及选取合适介电常数和厚度的基板，可获得良好的圆极化性能和辐射特性。

该种方案同样可获得良好的圆极化性能，且剖面低，占用空间小，缺点为同样需要配备馈电匹配网络，波瓣宽度相比四臂螺旋型式窄，但仍能满足要求。

综合天线性能和结构尺寸等因素，基于微带形式的S卫星通信天线是更优选择。

3.2.2 S卫星通信天线辐射体设计

常规微带天线的频带很窄，一般约为中心频率的1%～6%，通常实现双频或多频工作的基本方式可分两类：多片法和单片法。多片法一般采用层叠结构，利用谐振频率不同的多个贴片来工作。单片法是利用几种不同的自然模式来实现双频或多频工作，或者通过加载、开槽的方法改变贴片各种自然模的场分布，进而使谐振频率受到干扰，最终实现双频或多频工作［12～13］。

本文采用层叠结构多片设计，利用谐振频率不同的多个贴片来工作，实现S卫通接收、发射双频工作，其结构示意图如图5所示。通过适当调整微带贴片的几何尺寸，以及选取合适介电常数和厚度的基板，来获得良好的圆极化性能和辐射特性。其中上层贴片、上层基板与下层贴片构成S卫通发射天线，下层贴片、下层基板与地板构成S卫通接收天线。

图5 S卫星通信天线辐射体示意图

3.2.3 S卫星通信天线的馈电设计

普通的单贴片圆极化微带天线，虽然无需外加任何馈电网络就能实现圆极化，但其圆极化性能欠佳，为获得较好的圆极化特性，采用双点馈电技术，以激励一对极化正交的简并模。由馈电网络来保证圆极化工作条件，即两模幅度相等，相位相差90°。

馈电网络选用Wilkinson功分器，通过其两个输出端对微带天线进行等幅、相位相差90°馈电。功分器选用带线结构，两个Wilkinson功分器分布于同一层，分别对S卫通发射、接收天线馈电。馈电网络示意图如图6所示。

图6 馈电网络示意图

3.3 UHF/S卫星通信天线集成设计

为了保证UHF卫星通信天线、S卫星通信天线在水平面具备全向方向图，只能沿中轴线集成设计，为了保证天线上半空间半球形方向图，将尺寸较小的S卫星通信天线集成至UHF卫星通信天线顶部。UHF卫星通信天线设计为右旋圆极化，S卫星通信天线设计为左旋圆极化，可以保证两天线单元间的隔离度。这两副天线辐射体虽为上下安装形式，但其部分馈线、器件等仍不可避免地在空间上需要组合布置，需要尽量减小由于天线组合布置后给电气性能带来的影响。

UHF卫星通信天线、S卫星通信天线集成后整机仿真模型如图12所示。因S卫星通信天线位于UHF卫星通信天线上方，不可避免地对其有遮挡，所以集成后需重点考虑优化UHF卫星通信天线的方向图。经优化设计，集成后的UHF卫星通信天线单元可获得较好的方向图和较宽的0dB波束宽度，相关仿真结果如图8～图11所示。

图7 UHF/S卫星通信天线整机仿真模型图

图8 集成后的UHF卫星通信天线驻波比

4 UHF/S卫星通信集成天线实测数据

加工制作了UHF/S卫星通信集成天线样机，其测试结果如图12～图15所示。

图9 集成后的S卫星通信天线驻波比

图10 集成后的UHF卫星通信天线方向图

5 结语

一种UHF及S频段卫星通信集成天线采用无限巴仑技术和收发天线嵌套设计，形成双频UHF卫星通信天线；采用双点馈电和多片层叠设计，形成双频S卫星通信天线；并通过空间隔离、极化隔离技术，实现UHF卫星、S卫星通信天线单元共轴集成，形成柱状多频段天线。天线具有结构紧凑、多频道工作互不干扰、可靠性强和便于操控等特点，主要性能满足研究要求，实测结果与仿真结果基本吻合。