一種雙頻嵌套衛星通信天線設計?

（武漢船舶通信研究所 武漢 430205）

1 引言

衛星通信作為一種重要的通信手段在國內外都被廣泛的使用。衛通通信使用衛星作為通信的中繼站來轉發無線電波從而實現不同地球站之間的通信。衛星通信具有不受地理條件限制、通信容量大、覆蓋范圍廣、組網迅速方便等優點，可以實現在任何時間、地點通信，被認為是建立全球的通訊系統所必需的一種手段［1～4］。因此，衛星通信天線的研究無論在民用還是軍用領域都具有十分重要的地位［5］。

螺旋天線［6～7］是一種結構簡單的天線能夠輻射圓極化電磁波，滿足衛星系統對通信信號極化的特性要求［8］，因此被廣泛地運用于衛星通信。螺旋天線由金屬導體按螺旋狀繞制而成的，根據螺旋半徑是否漸變，整體形狀可以是柱體或椎體。天線的輸入端口與同軸電纜內芯相連，另一端口開路或者連接電纜外皮。螺旋天線的輻射特性隨著天線結構的變化而變化，其中天線直徑對其影響最大，直徑與波長的比值決定天線的輻射模式［9］。四臂螺旋天線是由四個單繞螺旋天線以同一螺旋軸向對稱繞制而成，天線的特性主要由各單繞螺旋結構決定。螺旋臂的長度為四分之一工作波長的整數倍，當倍數為奇數時螺旋非饋電端開路，當倍數為偶數時螺旋非饋電端短路。四根螺旋臂饋電端的電流幅度相等相鄰端口的相位差為90°，四個端口分別為0°、90°、180°、270°。

本文設計了一種應用于小型或緊湊平臺的衛星通信天線，該天線具有獨立收信與發信的功能，它通過兩副天線內外嵌套來實現天線的雙頻段工作。兩副天線均采用四臂螺旋的天線形式，根據各自的工作頻段要求分別使用開路與短路的不同工作方式。內部天線工作頻率高、工作帶寬較寬對0dB波束寬度要求高，因此采用3/4波長開路天線形式，同時使用輻射臂折疊等方式擴展工作帶寬、縮小天線尺寸。外部天線工作頻率低、工作帶寬較窄，采用1/2波長的短路天線形式。同時文本針對收發信天線設計了專用一體化饋電網絡，該饋電網絡具有功率分配和改變相位的功能，與兩副天線縱向安裝，具有很高的集成度，將天線總體尺寸進一步的縮小。該天線極化方式為雙右旋圓極化，可應用于衛星通信等領域。

2 天線設計

2.1 天線結構設計

本文所設計的雙頻嵌套衛星通信天線結構如圖1。天線的尺寸為Φ140mm×430mm，天線分為輻射部分、饋電網絡和支撐骨架三部分，其中天線輻射體包括內層工作頻段為?1的發射天線和外層工作頻段為?2的接收天線，天線輻射體均采用直徑1mm的鍍銀銅導線沿支撐骨架向上纏繞，饋電網絡印制在高相對介電常數的介質板上，可以有效地縮小饋電網絡的體積，并與兩副天線分別在底部焊接，通過支撐骨架固定安裝，支撐骨架則采用FR4介質板，通過卡槽和AB膠搭接而成，起到對天線體和饋電網絡的支撐和固定作用。

圖1 雙頻嵌套衛星通信天線結構圖

2.2 天線電氣設計

使用Ansoft HFSS高頻電磁仿真軟件對天線進行建模仿真，仿真模型見圖2。

圖2 雙頻嵌套衛星通信天線仿真模型圖

雙頻嵌套衛星通信天線采用嵌套式的集成設計，頻段較高的發信天線直徑較小，因此置于內部，該天線的工作頻段較寬，采取折疊的形式增強各個輻射臂之間的耦合以達到展寬天線工作帶寬的目的，同時在軸向上能夠縮短天線的尺寸，為了保證天線的0dB波束寬度，天線采用四分之三波長的電尺寸。收信天線頻段低，套在發信天線外部，為了不影響內部天線的性能，該天線采用二分之一波長的電尺寸，避免了對內部天線的遮擋。

2.3 一體化功分移相饋電網絡設計

由于四臂螺旋天線四條輻射臂需要按照90°相位差依次等幅饋電，因此需要給收、發天線單獨設計饋電網絡。同時，饋電網絡需要體積盡量的小，能做成與天線一體化的設計。功分移向饋電網絡使用高相對介電常數介質板做基板，可以大幅度地縮小饋電網絡所占用的體積。每個饋電網絡均采用微帶線的形式，分別布置了三個威爾金森功分器［10］，實現了四端口功率平分，中間設計有隔離電阻100Ω，相位差依次90°。兩副饋電網絡仿真模型圖如圖3所示。

3 天線仿真計算

3.1 天線單元仿真計算

發信天線和接收天線的駐波比特性仿真結果如圖4。

圖4 發信天線和收信天線電壓駐波比仿真結果圖

從圖4可以看出，仿真計算時每一副天線都有四個饋電端口，因此得到4條仿真曲線，發信天線的四條輻射臂電壓駐波比小于2.5，收信天線的電壓駐波比小于2.1。

發信天線和接收天線的0dB波束寬度仿真結果如圖5。

圖5 發信天線和收信天線0dB波束寬度仿真結果圖

通過仿真計算可以看出，發信天線在工作頻段內0dB波束寬度大于130°，邊緣處的實際增益最小值為0.96dB，接收天線在工作頻段內0dB部署寬度大于130°，邊緣處的實際增益最小值為1.1dB，達到設計要求能夠滿足實際通信［11～12］的使用。

3.2 饋電網絡仿真計算

發信天線饋電網絡電壓駐波比、功率分配、饋電端口相位的仿真結果見圖6。

圖6 發信天線饋電網絡電壓駐波比、功率分配、端口相位仿真結果圖

通過仿真分析可以看出，發信天線饋電網絡輸入口電壓駐波比小于1.04，四端口的功率分配S12、S13、S14、S15均在-6dB～-6.15dB之間，功率分配均勻損耗小。四個端口的中心頻點相位差均在90°正負2°以內，相位匹配良好，四端口間隔離度在20dB以上，滿足四臂螺旋天線的使用要求。

收信天線饋電網絡電壓駐波比、功率分配、饋電端口相位的仿真結果見圖7。

圖7 收信天線饋電網絡電壓駐波比、功率分配、端口相位仿真結果圖

通過仿真分析可以看出，收信天線饋電網絡輸入口電壓駐波比小于1.05，四端口的功率分配S12、S13、S14、S15均在-6dB～-6.13dB之間，功率分配均勻損耗小。四個端口的中心頻點相位差均在90°正負1°以內，相位匹配良好，四端口間隔離度在25dB以上，滿足四臂螺旋天線的使用要求。

3.3 天線單元與饋電網絡集成仿真計算

將上文中仿真設計的天線單元與饋電網絡進行電氣裝配，使用仿真計算軟件對天線整體進行模擬。上部分為發信天線和收信天線體，各個天線下端的端口分別與對應的饋電網絡端口連接，仿真建模如圖8。

圖8 天線與饋電網絡集成仿真模型圖

天線與饋電網絡集成后駐波比特性仿真結果如圖9。

圖9 天線與饋電網絡集成的駐波比特性仿真結果圖

從圖9可以看出，發信天線與饋電網絡集成后電壓駐波比小于1.43，收信天線與饋電網絡集成后電壓駐波比小于1.29。由于天線后端匹配了饋電網絡，因此收發信天線的駐波比相較于單天線狀態有較好的改善。

天線與饋電網絡集成后0dB波束寬度仿真結果如圖10。

圖10 天線與饋電網絡集成后0dB波束寬度仿真結果圖

發信、收信天線與饋電網絡集成后0dB波束寬度仍大于130°，邊緣處的實際增益最小值為0.4dB，相較單天線仿真時邊緣增益有小幅度的下降，這是由于饋電網絡引入了損耗以及相位失配造成的影響，但總體來說影響較小，在可接受的范圍內。

4 天線實測結果

新型UHF衛通天線樣機在室外反射測試場進行了實際測試，分別測試了天線水平與垂直方向的輻射分量，最后通過Matlab修正反射場的影響，合成得出天線的實際輻射方向圖見圖11。實際測試的結果見表1～表3。

圖11 收發信天線端口間隔離度的仿真結果

表1 新型UHF衛通天線駐波比測試表

表3 新型UHF衛通天線發射天線方向圖測試表

5 結語

本設計采用折疊四臂螺旋天線單元形式，利用天線嵌套技術和一體化功分移相饋電網絡設計了新型UHF衛通天線，通過計算機仿真設計與樣機的實際測試，驗證了方案的可行性，仿真性能與實測性能基本吻合，能夠滿足潛用UHF衛通天線各項指標。