星載寬波束圓極化天線設計

馮文文，李 磊，王群杰，鄒永慶

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于國土面積的限制，為了實時同地面站保持通信，中低軌人造地球衛(wèi)星需采用中繼衛(wèi)星對信息進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這就要求安裝在衛(wèi)星上的中繼終端天線具備圓極化、寬波束覆蓋等特征。

寬波束天線在工程設計中除了考慮電性能指標的實現(xiàn)外還需要考慮使用的空間環(huán)境和加工制造工藝水平。常用的寬波束天線結(jié)構有微帶貼片天線[1-2]、扼流喇叭天線[3-4]、四臂螺旋天線[5-7]和雙臂螺旋天線[8-9]等，其中微帶貼片天線具有剖面低、質(zhì)量輕等優(yōu)點。但是，微帶介質(zhì)材料無法滿足星載環(huán)境下的抗輻照特性。扼流喇叭天線為全金屬結(jié)構，能夠?qū)崿F(xiàn)雙圓極化，但在低波段尺寸太大而無法使用。四臂螺旋天線可以實現(xiàn)較好的電性能，但饋電電路復雜，需要專門設計一個順序饋電的功分電路。這會增加天線的損耗且降低天線的增益。雙臂螺旋天線結(jié)構簡單、饋電方便、尺寸較小，但工作帶寬較窄，通常需要安裝接收和發(fā)射兩個天線來實現(xiàn)同時收發(fā)的目的。

本文改進了雙臂螺旋天線的結(jié)構形式。通過優(yōu)化螺旋天線的尺寸以及饋電同軸線，使天線在收發(fā)兩個頻點均能滿足增益在±70°波束覆蓋范圍內(nèi)(θ∈[-70°,70°], Φ∈[0,180°])大于1 dB、同時天線軸比優(yōu)于6 dB及電壓駐波比小于1.3的指標要求。

1 寬波束天線分析和設計

1.1 雙臂螺旋天線參數(shù)優(yōu)化

螺旋線的幾何特性可以用螺旋直徑D、螺距P和匝數(shù)N等結(jié)構參數(shù)描述。螺旋天線的輻射特性跟螺旋線的幾何參數(shù)有關，在D/λ≤0.18時其最大輻射方向在垂直于螺旋軸線的平面內(nèi)，其方向性與載電流小環(huán)類似。這種螺旋天線稱為法向模螺旋天線，在D/λ=0.25～0.46時其最大輻射方向在軸線方向。這種螺旋天線稱為軸向模螺旋天線。

目前，不能通過解析的方法計算出合適的參數(shù)，可利用電磁仿真軟件優(yōu)化雙臂螺旋天線的螺距、匝數(shù)和半徑，使天線的遠場方向圖滿足任務要求。本文采用4段首尾相接的螺旋作為天線臂，優(yōu)化得到其參數(shù)如表1，雙臂螺旋天線的形狀如圖1。

表1 優(yōu)化后的螺旋參數(shù)

圖1 螺旋初始模型

1.2 饋電巴倫設計

為了給雙臂螺旋天線的兩個螺旋臂平衡饋電，采用同軸裂縫巴倫形式。螺旋天線一個臂與同軸線外導體連接，另一個臂通過外導體與內(nèi)導體連接，巴倫長度取34 mm，裂縫尺寸取 2 mm。為了改善裂縫巴倫的性能，在巴倫頂部采用抗輻照性能較好的聚酰亞胺介質(zhì)進行加載。仿真模型如圖2所示。

圖2 天線同軸裂縫巴倫

1.3 天線整體設計

根據(jù)以上分析，在HFSS中建立起雙臂螺旋天線的三維仿真模型，通過優(yōu)化螺旋參數(shù)和巴倫尺寸，得到滿足指標要求的天線方向圖；然后保持饋電同軸線外導體內(nèi)徑不變，改變同軸線的內(nèi)導體外徑和電長度，優(yōu)化天線的電壓駐波比。天線仿真模型如圖3所示。

圖3 天線仿真模型

為了觀察上半空間的天線輻射性能，圖4和圖5給出了收發(fā)頻點下不同Φ切面的輻射方向圖和軸比曲線。仿真結(jié)果顯示，天線在收發(fā)頻點的增益在±70°范圍內(nèi)大于1.2 dB，軸比優(yōu)于6 dB。

圖4 接收頻點天線仿真方向圖和軸比曲線

2 寬波束天線實物測試

雙臂螺旋天線采用直徑為1.3 mm的高精度鈹青

圖5 發(fā)射頻點天線仿真方向圖和軸比曲線

銅絲繞制，經(jīng)過淬火成型處理，將其安裝固定在復合材料制作的支撐結(jié)構上。該天線在球面近場暗室架設并測試方向圖，如圖6所示。

圖6 天線暗室測試圖

天線在接收和發(fā)射兩個頻點下不同Φ切面下實測的軸比和方向圖曲線見圖7和圖8。實測結(jié)果顯示，該天線工作在接收頻點時，天線在上半空間±70°范圍內(nèi)，天線增益大于1.25 dB，天線軸比小于5.9 dB；該天線工作在發(fā)射頻點時，天線在上半空間±70°范圍內(nèi)，天線增益大于1.4 dB，軸比小于5.86 dB,測試結(jié)果跟仿真設計結(jié)果一致。

圖7 接收頻點天線實測方向圖和軸比曲線

圖8 發(fā)射頻點天線實測方向圖和軸比曲線

圖9給出了天線仿真電壓駐波比和實測電壓駐波比曲線。從圖中可以看出，天線在收發(fā)頻點的仿真電壓駐波比小于1.18，天線在收發(fā)頻點的實測電壓駐波比優(yōu)于1.2，天線實測駐波比和仿真駐波比吻合較好。

圖9 天線電壓駐波比曲線

3 結(jié)束語

本文提出的寬波束天線具有體積小、質(zhì)量輕等特點，便于加工制造，且能夠覆蓋收發(fā)兩個工作頻點，節(jié)省了星上的安裝空間。該天線已通過星載環(huán)境試驗，并應用于某星載天線系統(tǒng)中，具有很高的工程應用價值。