基于地空通信的多波束天線設計與實現

任 鵬，叢惠平，李紅光

(1.中華通信系統有限責任公司，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍91033部隊，山東 青島 266071；3.中國人民解放軍75841部隊，云南 紅河 654400)

0 引言

地空通信系統依靠多種類型的升空平臺，可以快速地構建覆蓋地面區域內用戶的立體通信網絡。為了同時滿足多個用戶的接入需求，升空平臺對地多采用全向天線實現較大區域的覆蓋，但全向天線增益較低導致用戶傳輸速率不高，覆蓋范圍和帶寬利用率的平衡是地空通信系統設計中的難題。

本文旨在研制一種可以產生多個子波束的多波束天線，該型天線由天線陣列構成，天線陣列包含數個天線單元，通過仿真和精確地計算后天線單元按照特定的結構組成，相比普通天線它的方向性更強、增益更高[1]。

多波束天線無需復雜的機械傳動裝置，通過開關控制數個天線單元實現陣列的快速掃描，具有結構簡單、可靠的特點。不但可以實現全方位尤其是水平方向的覆蓋，而且較高的天線增益可以有效提升網絡吞吐量。

1 天線結構

多波束天線外形通常為流線型外觀的柱狀結構或截球面結構，內部由多個高增益、低副瓣和可控波束的天線單元組成[2]，可供選擇的天線單元主要包括微帶天線、螺旋天線和喇叭天線。

球面、圓錐面結構具有顯著優勢。結構上，多波束天線舍棄了笨重的機械伺服對準機構，其流線型結構可以與升空平臺共形，尤其對飛行器的氣動性能影響較小。性能上，多波束天線通過快速切換開關進行扇區掃描，在不同的方向上均可以保持較高的天線增益[3]。

圖1 天線陣列實物Fig.1 Photograph of antenna arrays

2 天線陣列單元

2.1 微帶天線陣列

微帶天線是在薄介質基片上，附上金屬薄層作為接地板，用光刻腐蝕方法制成金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對貼片饋電構成的天線。

微帶天線的優點包括：體積小、低剖面、重量輕、具有多種極化方式、結構安裝簡單而且能和各種升空平臺共形[4]。

相比于其他天線，微帶天線的缺點是相對帶寬窄，如諧振式微帶天線。另外，微帶天線單元的損耗偏大、增益偏低、功率容量偏小，使用微帶天線單元組陣并確保天線具有較高的增益，需要設計較為復雜的功分器電路，容易導致多波束天線整體尺寸變大[5]。

微帶陣列天線(5 GHz)實物和方向圖仿真結果如圖2所示。

圖2 微帶陣列天線(5 GHz)實物和方向圖仿真Fig.2 Photograph and pattern simulation of microstrip antenna(5 GHz)

2.2 螺旋天線陣列

螺旋天線是將金屬導線或者金屬帶繞制成一定尺寸的圓柱或者圓錐螺旋線，一端用同軸線內導體饋電，另一端處于自由狀態或者與同軸線外導體連接[6]。

螺旋天線主要優點包括輻射場是圓極化波、最大輻射沿軸線方向、具有寬頻帶特性、輸入阻抗近似純電阻及天線導線上電流按行波分布。

螺旋天線實物及建模結構如圖3所示。

圖3 螺旋天線實物和建模結構Fig.3 Photograph and modeling of helical antenna

使用數值仿真軟件對4.4～5 GHz頻率下工作的螺旋天線模型進行初步仿真，結果如圖4～圖6所示。

圖4 螺旋天線單元方向圖和增益仿真(4.5 GHz)Fig.4 Pattern and gain simulation of helical antenna(4.5 GHz)

圖5 螺旋天線單元方向圖和增益仿真(5 GHz)Fig.5 Pattern and gain simulation of helical antenna(5 GHz)

圖6 螺旋天線單元駐波比仿真Fig.6 Standing wave ratio simulation of helical antenna

由螺旋天線仿真可以看出，螺旋天線具有較好的駐波特性，但單元增益偏低，只有13 dBi，而且旁瓣抑制較差，適于采用組陣形式。通過仿真論證，其組陣形式如圖7所示。

圖7 螺旋天線陣列單元正面Fig.7 Front view of helical antenna unit

組陣后輻射方向圖仿真結果如圖8所示，可以看出最高增益大于15 dBi。

螺旋天線組陣仿真結果表明：

① 使用螺旋天線單元進行波束合成時，1個波束陣可選用3個天線單元組成，可按水平方向布局。螺旋天線旁瓣抑制性能較差，因此天線陣單元的相對位置以及排列方式對合成波束的性能影響較大，需要優化陣列單元結構并且進行精確調試[7]。

② 為了使螺旋天線單元組陣后實現全方位覆蓋能力，僅在水平方向即需要16個波束陣。1個波束陣由3個螺旋天線單元組成，單個多波束天線總計需要安裝48個螺旋單元天線，極易出現天線間互耦，影響天線性能，同時增加了在有限的空間內進行天線布陣的難度。天線數量多會降低系統穩定系數。

③ 螺旋天線單元組陣帶來的另一個問題是螺旋單元天線數量較多，需要使用大量的功分器進行饋電[8]，在增益降低、損耗增大的同時加大了制造難度和成本。

圖8 螺旋天線陣列單元仿真Fig.8 Simulation of helical antenna unit

2.3 喇叭天線陣列

口徑天線是可以獲得高增益的一種天線，其中最簡單的一種是喇叭天線。喇叭天線結構牢固可靠、性能穩定、工作頻段寬、方向性強和增益高。

喇叭的功能是在比波導更大的口徑上產生均勻的相位波前，從而獲得較高的定向性[9]。相比微帶天線和螺旋天線，喇叭天線結構尺寸較大、重量較重，需要在有限的空間內合理布局，以達到最佳的方位覆蓋效果。

綜上，喇叭天線的優點是天線旁瓣抑制好、天線效率高和天線單元一致性好；缺點是重量和體積較大。

常見的喇叭天線結構形態包括角錐喇叭天線和圓錐喇叭天線，角錐喇叭天線結構簡單便于進行天線陣列結構設計，同時為了獲得良好的圓極化特性，選用角錐喇叭天線進行多波束天線的設計[10]。

按垂直極化進行設計，喇叭天線單元俯仰面要滿足30°的波束覆蓋，水平方位要滿足360°的波束覆蓋，設計一種雙層環形排列的喇叭天線陣列，每個喇叭天線單元的水平波束角也設計為30°，單個喇叭天線單元增益約為15 dBi。

選取一種常見的圓極化喇叭單元天線，其主要性能指標為：工作頻段：4 400～5 000 MHz；增益：大于15 dBi；波束寬度水平方向和垂直方向均為30°，采用右旋圓極化方式，軸比控制在3 dB以下。喇叭天線的設計如圖9所示。

圖9 喇叭天線的設計Fig.9 Design of horn antenna

3 多波束天線結構設計

3.1 陣列天線結構分析

多波束天線安裝在升空平臺上，為了實現對地面半球區域的覆蓋，天線外形采用截球面結構，該結構形式可實現水平全方位360°、俯仰-10°～90°范圍內的輻射覆蓋。

截球面多波束天線結構主要對水平360°的范圍進行覆蓋，無法對俯仰尤其是垂直方向進行覆蓋。

錐狀雙臂螺旋天線是一種非頻變螺旋天線，具有重量輕、體積小、頻帶寬、圓極化特性好的特點，同時在多個方面均具有寬頻帶特性，包括阻抗特性、方向特性、極化特性都是寬帶的[11]。

因此，在截球面頂端安裝一套錐狀雙臂螺旋天線，如圖10所示。

圖10 錐狀雙臂螺旋天線示意Fig.10 Diagram of helical antenna

3.2 陣列天線結構實現

陣列天線使用2組喇叭天線單元按2層排列安裝實現水平360°全方位和俯仰30°的覆蓋，通過錐狀雙臂螺旋天線實現垂直方向的覆蓋[12-13]，其輻射覆蓋如圖11所示。

圖11 陣列天線半空域輻射覆蓋示意Fig.11 Diagram of radiation space

經過上述設計，陣列天線最終結構形式為：天線外形為半圓球型，共包含16個單元子陣，每一層的陣元數量為8個，分為2層、按圓環形態交錯布設，錐狀雙臂螺旋天線放置在陣列天線中心頂端，具體結構如圖12所示。

圖12 截球面陣列天線結構Fig.12 Structure diagram of array antenna

4 結束語

本文介紹了一種多波束天線的整體結構設計方法和實現過程，通過與傳統天線的比較分析可以看出，新型多波束天線采用數個點波束通過空間隔離手段實現了頻率的復用，充分利用寶貴的頻譜資源，在提高天線增益、形成窄波束的同時可使天線結構盡量小型化，極大的增加了應用的靈活性。

在經過大量的仿真和理論計算的基礎上，研制了基于喇叭天線單元的多波束天線樣機，對其進行了性能測試，其主要指標滿足設計要求。目前存在的問題是C頻段喇叭天線單元尺寸較大，組陣后天線總重約30 kg，整體重量偏大。在此基礎上，今后將繼續開展天線單元輕量化、小型化的研究。