衛星通信傘天線的研究與設計

郭東洋，李 萍，王藝潼，李俊理

(1.武警工程學院研究生隊，陜西西安 710086;2.武警沈陽指揮學院技術基礎教研室，遼寧沈陽 110000)

反射面天線因具有單個天線增益高、頻帶寬的特點，被廣泛應用于衛星通信、微波通信中繼、移動通信基站、車載站等場合[1]?，F今普遍使用的天線反射面大多由剛性材料制成。不能折疊壓縮，體積大、質量大、成本高等缺點限制了此類天線在機動性較強場合中的應用。事實上，可折疊的反射面天線結構具有增益高、重量輕、折疊后攜帶方便等優勢，與目前其他同樣性能天線相比，更適于應急、處突、搶險、救災、搜救等場合[2-3]。近年來，在無線通信系統的應用要求與新型材料和加工工藝的推動下，天線技術發展迅速。經過幾年的研究測試發現:銀纖維布具有導電性能好、反射率高、質量小、表面光潔度好，可折疊10萬次以上而不影響電性能等特點，是制作電磁波反射面的理想材料。課題組依托某研究所針對單層和雙層兩種銀纖維布進行的電磁性能測試。測試表明:在7～25 GHz的頻段內，單層銀纖維布的反射能力范圍為30～60 dB，雙層銀纖維布的反射能力范圍為65～80 dB，因此可以用作為反射面天線的反射材料。因此文中旨在利用銀纖維布設計制作一種便于折疊、攜帶的反射面天線。

1 偏置拋物面天線原理

偏置拋物面天線由截取旋轉拋物面天線的一部分而來，它的優勢就是大幅減少了饋源對反射波的遮擋，從而提高了天線的增益和口面效率，因此廣泛應用于Ku波段和Ka波段的衛星通信中。對于單偏置反射面天線，從焦點發出的各條電磁波射線經拋物面反射后到達拋物面口徑上的路程仍為常數。等相位面為垂直于拋物面主軸的平面，拋物面的口徑場為同相場，反射波仍為平行于拋物面主軸的平面波。圖1給出了常見偏置反射面天線的幾何關系[4-5]。

圖1 單偏置反射面天線幾何關系示意圖

圖1中，F為拋物面的焦距，D為單偏置拋物面在xoy平面的投影直徑，又稱單偏置拋物面天線的口徑。H為單偏置拋物面的下邊緣偏置高度。對于拋物面上一點 P (x，y，z)，拋物面方程為

θ1是圖1中拋物線上下邊緣夾角的角平分線與z軸的夾角，為

半張角θ2為

饋源軸指向反射面的中心，與z軸的夾角θ0為

用 F ，θ1和 θ2表示D和H得

2 傘天線的仿真與設計

文中設計了一個工作于Ku波段的單偏置反射面天線，考慮到實際中使用的饋源尺寸及所使用雨傘結構限制的要求，選取的幾何參數為D=1.3 m，H=0.06 m，F/D=0.75。在FEKO軟件中利用PO和MOM結合分析的方法建立分立幾何模型，如圖2所示。

圖2 1.3 m單偏置反射面天線在FEKO中的幾何模型

在12.5 GHz的頻點上用MOM算法計算喇叭近場結果，并保存到*.efe和*.hfe文件中;然后使用前述近場結果作為激勵源，由PO算法計算出整個反射面天線的電磁性能參數。所得增益如圖3和圖4所示。

圖4 1.3 m單偏置拋物面天線的二維方向圖

由圖3和圖4可知，所設計天線的增益理論上不小于42 dB，實際選用高效饋源，進一步保證了高增益。

在以往測量中，單層銀纖維布的反射性能相對較弱，對Ku波段的電磁波來說還存在較大的泄漏;而雙層銀纖維布的緊密重疊卻有效地減少了對電磁波的泄漏，極大地增強了其反射性能。因此采用雙層銀纖維布緊密重疊的結構來作為反射面材料。

雨傘結構由于具有開合方便、便于攜帶以及和拋物面外觀結構相似等特點，是研究和制作輕便反射面天線的理想結構。文中選用非金屬骨架且剛性好的美國軍用511雨傘，通過對其結構進行簡單改造即制作出了適于單偏置拋物面天線的結構，如圖6所示。

3 結束語

依托511雨傘結構，設計制作了一種質量輕、可折疊、便于攜帶的偏置拋物面天線。經鑫諾1號衛星通信測試，能夠高質量地進行語音和視頻傳輸業務。該設計實現了利用新材料、新結構改造原有設備的目的，所研制衛星通信傘天線可有效用于應急通信。

圖3 1.3 m單偏置拋物面天線的立體方向圖

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