一種寬帶低剖面動中通天線單元的設(shè)計(jì)

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，黃 一

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)

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一種寬帶低剖面動中通天線單元的設(shè)計(jì)

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，黃 一

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)

針對目前移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中對天線性能、形式的需求，設(shè)計(jì)了一種寬帶低剖面動中通天線單元。該天線單元由加載金屬柵格的二聯(lián)裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T波導(dǎo)功分器組合構(gòu)成。其中正交模耦合器采用階梯阻抗匹配的方波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)相結(jié)合的方法作分析設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，天線單元的帶寬可達(dá)到30%，極化隔離度在-62 dB以下，同時(shí)天線單元結(jié)構(gòu)緊湊，剖面較低。

寬帶；低剖面；角錐喇叭天線；正交模耦合器；波導(dǎo)功分器

0 引言

動中通天線是衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的重要組成部分，可在車載、船載和機(jī)載等移動載體快速移動中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長時(shí)間、不間斷的高速率信息傳輸[1]；同時(shí)，能滿足應(yīng)急通信保障系統(tǒng)中高標(biāo)準(zhǔn)、高可靠性的要求，可廣泛應(yīng)用于新聞采集和應(yīng)急指揮等領(lǐng)域[2]。

如何采用最小的口徑、最低的剖面，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的天線性能，是動中通天線研究的熱點(diǎn)[3]。目前主要有拋物反射面天線[4]、透鏡天線[5]和平板陣列天線[6]3種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式。拋物反射面天線的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬、旁瓣特性好，且設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)。一般適合應(yīng)用于體積較大的移動載體(如船舶、大型車輛等)。介質(zhì)透鏡天線因其在掃描時(shí)增益基本不下降的優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于多頻段、掃描范圍大的中低輪廓動中通天線。與前面2種天線相比，平板陣列天線以其效率高、重量輕及體積小等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前動中通天線的主要發(fā)展方向[7]。而陣列單元的設(shè)計(jì)是平板陣列動中通天線的關(guān)鍵[8]，目前國內(nèi)外文獻(xiàn)對其做詳細(xì)介紹的較少[9]。

本文旨在設(shè)計(jì)一種基于寬帶低剖面的平板動中通天線單元，單元由加載金屬柵格的二聯(lián)裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T波導(dǎo)功分器組合構(gòu)成。其中通過采用階梯阻抗匹配的方波導(dǎo)與耦合波導(dǎo)相結(jié)合的方法分析設(shè)計(jì)寬帶、高隔離度的正交模耦合器。

1 單元結(jié)構(gòu)

本文平板陣列動中通天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。單元由加載金屬柵格的二聯(lián)裝角錐喇叭天線、正交模耦合器及H-T功分器組合構(gòu)成。金屬柵格將角錐喇叭天線等分成2個大小相等的正方形口徑。其中金屬柵格厚度為t，等分的正方形口徑長度為l，角錐喇叭天線口徑長度為h。在垂直于口徑面的方向，角錐喇叭天線的高度為d1，正交模耦合器的高度為d2。圖1中D1和D3為垂直極化饋電端口，D2為水平極化饋電端口。

另外，天線的接收工作頻段為10.7～12.75 GHz，發(fā)射工作頻段為13.75～14.5 GHz，其最小工作波長λmin為20.7 mm。

圖1 單元結(jié)構(gòu)示意

2 單元設(shè)計(jì)

2.1 二聯(lián)裝角錐喇叭天線

從圖1可以看出，通過加載金屬柵格，可將角錐喇叭天線的口徑面等分成2個大小相等的正方形口徑，以使水平極化波和垂直極化波能同時(shí)在波導(dǎo)中傳播；另外，加載金屬柵格可使電場在正方形口徑面呈等相位分布。

由圖1可知，動中通陣列天線單元間距d可表示為：

d=l+t。

(1)

這里將金屬柵格的厚度t設(shè)為1 mm。

另外基于陣列理論[10]，陣列天線遠(yuǎn)場方向圖不出現(xiàn)柵瓣時(shí)，單元間距d需滿足下式：

(2)

式中，θs為天線的最大掃描角，這里取為0°。結(jié)合式(1)和式(2)可知，l=19 mm，h=39 mm。

2.2 正交模耦合器

單元中的正交模耦合器在物理結(jié)構(gòu)上可表示為一個三端口網(wǎng)絡(luò)，分別為A端口、B端口及C端口，如圖2所示。它由方波導(dǎo)、耦合波導(dǎo)及階梯阻抗匹配塊構(gòu)成，其中A端口可同時(shí)傳播在方波導(dǎo)中相互正交的TE01與TE10模式，而B端口與C端口分別傳播各自的TE10基模。

圖2 正交模耦合器結(jié)構(gòu)示意

A端口與C端口之間的阻抗匹配可通過階梯阻抗變換實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際匹配網(wǎng)絡(luò)的選擇中，需要考慮以下因素：

① 復(fù)雜性。如同多數(shù)工程解答一樣，滿足所需特性的最簡單設(shè)計(jì)通常是最可取的。一個較簡單的匹配網(wǎng)絡(luò)通常是既便宜又可靠的，而且與較復(fù)雜的設(shè)計(jì)相比有更小的損耗。

② 帶寬。任何類型的匹配網(wǎng)絡(luò)理想情況下在一個信號頻率上能給出全匹配。但在許多應(yīng)用中，我們希望在一個頻帶上與負(fù)載匹配。有幾種方法能達(dá)到此目的，當(dāng)然復(fù)雜性會相應(yīng)增加。

③ 實(shí)現(xiàn)。根據(jù)所用的傳輸線和波導(dǎo)的類型，一種類型的匹配網(wǎng)絡(luò)可能比另一類更可取。

④ 可調(diào)性。在某些應(yīng)用中，為了匹配一個可變負(fù)載阻抗，匹配網(wǎng)絡(luò)可能需要調(diào)節(jié)。在這方面，某些類型的匹配網(wǎng)絡(luò)要比其他類型的匹配網(wǎng)絡(luò)更適合需要。

由于天線的工作帶寬為30.2%，常用的1/4波長阻抗變換器無法實(shí)現(xiàn)。這里采用在通帶內(nèi)具有等波紋特性的切比雪夫阻抗變換器[11]，其反射系數(shù)可表示為：

Γ(θ)=Ae-jNθTN(secθmcosθ)。

(3)

式中，A為常數(shù)，表示通帶內(nèi)的最大允許反射系數(shù)幅值Γm；N為階梯阻抗變換的級數(shù)，這里取為3；secθm可表示為：

(4)

式中，ZL為負(fù)載阻抗；Z0為特征阻抗。矩形波導(dǎo)的特征阻抗為：

(5)

式中，a和b分別對應(yīng)波導(dǎo)的寬邊和窄邊。這里C端口選用標(biāo)準(zhǔn)BJ140波導(dǎo)，B端口選用對應(yīng)的半高波導(dǎo)。

結(jié)合式(3)、式(4)及式(5)，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后可得到L1=11 mm，L2=5.7 mm，L3=7.8 mm，L4=4 mm。

另外，為使單元級聯(lián)組陣后的結(jié)構(gòu)更緊湊，B端口對應(yīng)的耦合波導(dǎo)在階梯阻抗匹配塊上開槽。

2.3 H-T波導(dǎo)功分器

單元中的H-T波導(dǎo)功分器結(jié)構(gòu)如圖3所示。與常規(guī)的H-T波導(dǎo)功分器不同，這里采用半高波導(dǎo)，其波導(dǎo)的寬邊及窄邊尺寸分別為15.8 mm和3.95 mm；另外，通過加載調(diào)諧圓柱及長方形縫隙，可調(diào)節(jié)該功分器的駐波性能。

圖3 H-T波導(dǎo)功分器示意

H-T波導(dǎo)功分器的駐波曲線及端口的插入損耗分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 H-T波導(dǎo)功分器電性能曲線

由圖4可知，在接收及發(fā)射的工作頻帶內(nèi)，功分器D端口的駐波在1.1以下，且E端口和F端口的插入損耗均在-3.0 dB左右。

3 仿真結(jié)果

在前面的基礎(chǔ)上，采用HFSS仿真軟件對該天線單元的電磁特性作分析。其中金屬柵格厚度t=1 mm，等分的正方形口徑長度l=19 mm，角錐喇叭天線口徑長度h=39 mm，角錐喇叭天線的高度d1=23 mm，正交模耦合器的高度d2=27.9 mm。由此可知陣列單元的剖面高度為50.9 mm，小于2.5λmin。

保持上面的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，陣列單元D1端口、D2端口和D3端口的仿真駐波曲線如圖5所示。由圖5可知，D1端口和D2端口之間的隔離度在-62 dB以下，2個端口之間的相互影響很小；D1端口和D3端口的駐波曲線一致，且3個端口的駐波值均在1.6以下。

圖5 陣列單元端口駐波曲線

陣列單元端口隔離度曲線如圖6所示。

圖6 陣列單元端口隔離度曲線

通過上述仿真分析，可得到以下結(jié)論：

① 天線單元的水平極化端口和垂直極化端口的駐波均在1.6以下，隔離度在-62 dB以下；

② 天線單元的阻抗帶寬可達(dá)到30%，且剖面高度小于2.5λmin。

4 結(jié)束語

本文通過采用帶金屬柵格的二聯(lián)裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T功分器，設(shè)計(jì)了一種寬帶低剖面動中通天線單元。該天線單元的帶寬可達(dá)到30%，極化隔離度在-62 dB以下，且天線單元的結(jié)構(gòu)緊湊，剖面較低，可滿足移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)對動中通天線單元的要求。

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鄭文泉 男,(1986—),博士，工程師。主要研究方向：陣列天線、相控陣天線。

馬巖冰 男,(1979—),博士，工程師。主要研究方向：陣列天線。

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

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，等.一種寬帶低剖面動中通天線單元的設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(12):54-57.

2016-08-18

上海航天技術(shù)研究院核攀基金資助項(xiàng)目(ZY2014-023)。

TN82

A

1003-3106(2016)12-0054-04