卫星干扰信号转发天线设计

2021-05-20李明

现代导航 2021年2期

李明

（1 中国电子科技集团公司第二十研究所，西安710068；2 陕西省组合与智能导航重点实验室，西安710068）

0 引言

随着无人机开发与制造成本的降低，无人机行业发展迅猛，民用无人机在物流、探测、摄影和娱乐表演等领域得到了大规模应用[1]。伴随着无人机数量的激增及低空飞行的逐步开放，来自无人机不可控的危险机率大大增加，近年来无人机在机场及其他场所违规放飞导致的安全隐患新闻屡见不鲜，甚至还有因为违规操作或者无人机失控导致的安全事故，此类行为对人民的生命财产安全和社会的治安管理等造成了极大的困扰。因此，开展反无人技术研究势在必行[2-3]。

在反无人机技术中，干扰驱离及诱骗技术是最具研究意义的技术。目前无人机多采用卫星导航系统来实现导航定位，精确的位置、速度及航向信息是无人机成功飞行的必备条件。卫星信号到达接收天线口面时信号非常微弱，在复杂的电磁环境中，其易损性和脆弱性会轻易表现出来。因此，通过对无人机导航系统实施干扰可有效实现对无人机的干扰驱离甚至诱骗[4-5]。

卫星导航干扰系统包括卫星信号生成及发射设备。天线作为电磁波在空间转换的媒介，是发射子系统的关键部件之一。现有的转发式天线多采用微带天线或螺旋天线形式，其特点为波束范围宽，增益普遍不高，无法实现目标方向高增益高准确度干扰的应用需求[6-7]。本文基于卫星导航干扰系统的研制，设计了一种卫星干扰信号转发天线，该天线可实现多个卫星频点干扰信号的发射，同时具备高增益和低副瓣等特点，能在目标范围产生较好的卫星信号干扰效果。

1 天线设计

卫星信号干扰系统的设计关键点在于期望方向产生干扰信号影响目标设备，而在其它方向不发射干扰或产生零陷，以免影响其他设备正常运行。基于该设计理念，我们需要设计一副高增益、窄波束和低副瓣的天线。卫星导航信号极化方式为右旋圆极化，且各系统具备多个频点，因此该天线还要具备宽带及右旋圆极化特性才能实现信号的最优辐射。

天线阵面尺寸为700 mm（长）×300 mm（宽）×70 mm（高），为了实现宽带圆极化的设计特点，天线单元采用具有90°相差的十字交叉振子，天线单元的相差由水平面内的宽带馈电网络实现，并在水平方向布以6 单元的直线阵，采用泰勒综合的设计方案，对天线阵元施加不同幅度相位的激励，实现低副瓣的设计要求。

天线单元采用相互正交的对称阵子作为天线的辐射体，同时给对称阵子馈以相位相差90°的激励，可以辐射出圆极化波。天线阵子示意图如图1所示。

图1 天线单元结构示意图

馈电网络的设计采用T 型结功分器和宽带移相网络，T 型结功分器实现功率分配，宽带移相网络实现90°相移。馈电网络示意图如图2所示。

图2 馈电网络示意图

对于天线的馈电结构，为满足在所需频段内良好的轴比特性，本方案采取宽带相移功分网络对其进行馈电。馈电网络同样印刷在介质板上，其两个输出口与对称阵子的两个耦合馈电线相连。其输入口与上级功率分配器相连，结构如图3所示。

图3 功分相移网络

表1给出了几个频点功分相移网络的计算结果。

表1 功分移相网络仿真结果

为了实现在期望方向辐射信号的特点，需对阵列进行低副瓣综合设计。阵列综合是阵列分析的逆过程，它是指在已知阵列辐射特性的情况下，通过研究方法给出天线阵的单元数、单元的空间排布、单元激励幅度和相位所遵循的分布的过程。通过调整零点的位置，降低边缘副瓣，使得能量损失减小，并且天线阵长较短，通过前期设计和计算就可以确定副瓣的个数和副瓣衰减的速度，此种综合的方法称为泰勒综合。

泰勒分布馈电的天线阵方向图中零点所在位置为：

其中，

式中，σ是波瓣展宽因子，SLL为设计副瓣电平。当n＜时，副瓣可称为近旁瓣，n＞时，副瓣为远旁瓣。根据方向图零点位置可知，当n＜时副瓣近似相等，而n＞时，副瓣逐渐衰减。

为实现低副瓣窄波束的辐射特性，对于第一级功分采用T 型结功分器设计，第二级功分采用耦合能量的方式予以实现。同时为了满足各个端口的相位关系，进行了相位补偿。

2 仿真分析

通过上述分析，对天线阵列进行了建模仿真，仿真结果如图4所示。

图4 天线阵面驻波比

从图4我们可以看出阵列天线在带宽内（1.2～1.6 GHz）驻波比小于2，具有良好的阻抗匹配特性。

天线阵面的辐射方向图如图5～图6所示，辐射增益如表2所示。从结果可以看出，天线阵面在低频段（f＝1268 MHz）轴向增益为12.5 dBi，旁瓣抑制为 25 dB，前后比为 27 dB；在高频段（f＝1575 MHz）轴向增益为13.5 dBi，旁瓣抑制为25 dB，前后比为29 dB。从仿真结果看出，天线方向图轴向增益高，副瓣电平低，具有良好的辐射特性，满足期望方向辐射增益高，其它方向辐射增益低的设计要求。