衛星干擾信號轉發天線設計

李 明

（1 中國電子科技集團公司第二十研究所，西安710068；2 陜西省組合與智能導航重點實驗室，西安710068）

0 引言

隨著無人機開發與制造成本的降低，無人機行業發展迅猛，民用無人機在物流、探測、攝影和娛樂表演等領域得到了大規模應用[1]。伴隨著無人機數量的激增及低空飛行的逐步開放，來自無人機不可控的危險機率大大增加，近年來無人機在機場及其他場所違規放飛導致的安全隱患新聞屢見不鮮，甚至還有因為違規操作或者無人機失控導致的安全事故，此類行為對人民的生命財產安全和社會的治安管理等造成了極大的困擾。因此，開展反無人技術研究勢在必行[2-3]。

在反無人機技術中，干擾驅離及誘騙技術是最具研究意義的技術。目前無人機多采用衛星導航系統來實現導航定位，精確的位置、速度及航向信息是無人機成功飛行的必備條件。衛星信號到達接收天線口面時信號非常微弱，在復雜的電磁環境中，其易損性和脆弱性會輕易表現出來。因此，通過對無人機導航系統實施干擾可有效實現對無人機的干擾驅離甚至誘騙[4-5]。

衛星導航干擾系統包括衛星信號生成及發射設備。天線作為電磁波在空間轉換的媒介，是發射子系統的關鍵部件之一。現有的轉發式天線多采用微帶天線或螺旋天線形式，其特點為波束范圍寬，增益普遍不高，無法實現目標方向高增益高準確度干擾的應用需求[6-7]。本文基于衛星導航干擾系統的研制，設計了一種衛星干擾信號轉發天線，該天線可實現多個衛星頻點干擾信號的發射，同時具備高增益和低副瓣等特點，能在目標范圍產生較好的衛星信號干擾效果。

1 天線設計

衛星信號干擾系統的設計關鍵點在于期望方向產生干擾信號影響目標設備，而在其它方向不發射干擾或產生零陷，以免影響其他設備正常運行。基于該設計理念，我們需要設計一副高增益、窄波束和低副瓣的天線。衛星導航信號極化方式為右旋圓極化，且各系統具備多個頻點，因此該天線還要具備寬帶及右旋圓極化特性才能實現信號的最優輻射。

天線陣面尺寸為700 mm（長）×300 mm（寬）×70 mm（高），為了實現寬帶圓極化的設計特點，天線單元采用具有90°相差的十字交叉振子，天線單元的相差由水平面內的寬帶饋電網絡實現，并在水平方向布以6 單元的直線陣，采用泰勒綜合的設計方案，對天線陣元施加不同幅度相位的激勵，實現低副瓣的設計要求。

天線單元采用相互正交的對稱陣子作為天線的輻射體，同時給對稱陣子饋以相位相差90°的激勵，可以輻射出圓極化波。天線陣子示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元結構示意圖

饋電網絡的設計采用T 型結功分器和寬帶移相網絡，T 型結功分器實現功率分配，寬帶移相網絡實現90°相移。饋電網絡示意圖如圖2所示。

圖2 饋電網絡示意圖

對于天線的饋電結構，為滿足在所需頻段內良好的軸比特性，本方案采取寬帶相移功分網絡對其進行饋電。饋電網絡同樣印刷在介質板上，其兩個輸出口與對稱陣子的兩個耦合饋電線相連。其輸入口與上級功率分配器相連，結構如圖3所示。

圖3 功分相移網絡

表1給出了幾個頻點功分相移網絡的計算結果。

表1 功分移相網絡仿真結果

為了實現在期望方向輻射信號的特點，需對陣列進行低副瓣綜合設計。陣列綜合是陣列分析的逆過程，它是指在已知陣列輻射特性的情況下，通過研究方法給出天線陣的單元數、單元的空間排布、單元激勵幅度和相位所遵循的分布的過程。通過調整零點的位置，降低邊緣副瓣，使得能量損失減小，并且天線陣長較短，通過前期設計和計算就可以確定副瓣的個數和副瓣衰減的速度，此種綜合的方法稱為泰勒綜合。

泰勒分布饋電的天線陣方向圖中零點所在位置為：

其中，

式中，σ是波瓣展寬因子，SLL為設計副瓣電平。當n＜時，副瓣可稱為近旁瓣，n＞時，副瓣為遠旁瓣。根據方向圖零點位置可知，當n＜時副瓣近似相等，而n＞時，副瓣逐漸衰減。

為實現低副瓣窄波束的輻射特性，對于第一級功分采用T 型結功分器設計，第二級功分采用耦合能量的方式予以實現。同時為了滿足各個端口的相位關系，進行了相位補償。

2 仿真分析

通過上述分析，對天線陣列進行了建模仿真，仿真結果如圖4所示。

圖4 天線陣面駐波比

從圖4我們可以看出陣列天線在帶寬內（1.2～1.6 GHz）駐波比小于2，具有良好的阻抗匹配特性。

天線陣面的輻射方向圖如圖5～圖6所示，輻射增益如表2所示。從結果可以看出，天線陣面在低頻段（f＝1268 MHz）軸向增益為12.5 dBi，旁瓣抑制為 25 dB，前后比為 27 dB；在高頻段（f＝1575 MHz）軸向增益為13.5 dBi，旁瓣抑制為25 dB，前后比為29 dB。從仿真結果看出，天線方向圖軸向增益高，副瓣電平低，具有良好的輻射特性，滿足期望方向輻射增益高，其它方向輻射增益低的設計要求。

圖5 1268 MHz 輻射方向圖

圖6 1575 MHz 輻射方向圖

表2 天線輻射特性信息表

陣列天線的軸比仿真圖如圖7所示。從圖中可以看出，天線在±20°波束范圍內軸比小于3 dB，具有良好的圓極化輻射特性。

圖7 天線各頻點軸比

3 總結

本文設計了一種衛星干擾信號發射天線，通過設計寬帶功分移相網絡實現其寬帶圓極化特性，采用泰勒綜合方法實現天線陣面的低副瓣特性。然后對天線陣面進行了仿真優化，仿真結果表明該天線具備期望方向的高增益輻射，其它方向副瓣電平低的優良特性。該結果可應用于反無人系統設計之中，具備廣闊的應用前景。