用于衛星導航通信的多頻共口徑天線陣*

于 祥，楊孝東，李明珠

（南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

衛星通信技術的發展日新月異，可以利用的衛星導航通信頻段也逐漸增加，對衛星導航通信天線的設計提出了新的要求[1-4]。目前，衛星導航通信天線的一個重要研究方向是在較小的尺寸內實現多模式、高性能的衛星導航通信，因此在衛星導航通信天線的設計中常采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣以及極化復用等技術手段[5-9]。

本文設計了一種用于衛星導航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列，包含3 種不同形式的天線：S 頻段寬帶耦合饋電疊成微帶天線陣列，工作頻率為1.98～2.30 GHz；北斗S 頻段交叉偶極子天線陣列，工作中心頻點為2.491 GHz；北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線，工作中心頻點為1.207 GHz 和 1.622 GHz。本文設計的天線陣列結構緊湊，布局新穎，降低了天線剖面積，縮小了相控陣天線體積，有效提高了空間利用率。

1 天線單元設計

1.1 S 頻段寬帶微帶天線單元

設計的S 頻段寬帶微帶天線單元，如圖1 所示。該天線單元物理尺寸為50 mm×50 mm×14 mm，工作頻率為1.98～2.30 GHz。天線采用雙層矩形貼片和縫隙耦合饋電方式來展寬帶寬，同時采用雙饋電點的設計方式，對兩個饋電點分別饋入幅度相等、相位相差±90°的激勵信號，實現左、右旋可切換的圓極化天線。天線陣列單元間距為60 mm，小于半波長，通過相控陣天線技術可實現天線陣列低仰角波束掃描的功能[10-12]。

圖1 S 頻段寬帶微帶天線單元

1.2 北斗S 頻段交叉偶極子天線單元

設計的北斗S 頻段交叉偶極子天線單元如圖2所示。

圖2 S 頻段交叉偶極子天線單元

該交叉偶極子天線物理尺寸為60 mm×60 mm× 17.5 mm，工作中心頻率為2.491 GHz。天線由兩個偶極子天線交叉放置，分別饋入幅度相等、相位相差90°的激勵信號，從而實現天線的圓極化輻射。天線陣列單元間距為60 mm，小于半波長，通過相控陣天線技術可實現天線陣列低仰角波束掃描的功能[13]。

1.3 北斗B2b/L 雙頻微帶天線

設計的北斗B2b/L 雙頻微帶天線，如圖3 所示。該雙頻天線單元尺寸為60 mm×60 mm×10 mm。天線設計時采用了雙層矩形貼片進行上下疊層的形式，由上下層矩形貼片分別產生諧振頻點。上層貼片工作中心頻率為1.622 GHz，下層貼片工作中心頻率為1.207 GHz。每層貼片均有兩個饋電點，分別對每層貼片的兩個饋電點饋入幅度相等、相位相差90°的激勵信號，從而實現上下層貼片天線的圓極化輻射。中間月牙形金屬結構件將上下兩層貼片的饋電點電性隔離，增加上下兩層貼片的隔離度。

圖3 北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線

2 整體結構和仿真結果

多頻圓極化共口徑天線陣列的整體結構，如圖4 所示。天線陣列的整體尺寸為180 mm×180 mm× 17.5 mm，中間單元為北斗B2b/L 雙頻微帶天線，外圍為8 個S 頻段寬帶微帶天線單元組成的天線陣列。在北斗B2b/L 雙頻微帶天線四周、S 頻段寬帶微帶天線之間，垂直于底面放置4 個北斗S 頻段交叉偶極子天線單元[14-15]。

圖4 天線陣列整體結構

對天線陣列中的各類型天線、整體結構和布局進行仿真優化，最終得出在天線陣列中各類型天線的仿真結果。

S 頻段寬帶微帶天線的仿真結果，如圖5 和圖6 所示。單元兩端口在1.97～2.33 GHz 頻帶范圍內S11＜-10 dB，相對帶寬達到15%以上。通過相控陣技術，利用8 個陣元旋轉組陣的方式降低了天線陣列軸比。其中：在2.15 GHz 處的法向合成增益為14.13 dBi；俯仰角為60°時，各個方位角上合成增益大于8.51 dBi。

圖5 S 頻段寬帶微帶天線單元S11

圖6 2.15 GHz 增益

北斗S 頻段交叉偶極子天線的仿真結果如圖7和圖8 所示。天線單元在2.38～2.60 GHz 頻帶范圍內S11＜-10 dB。通過相控陣技術，利用4 個陣元旋轉組陣的方式降低了天線陣軸比。其中，在中心頻點2.491 GHz 的法向合成增益為7.51 dBi。對陣列進行相位掃描，俯仰角為60°時，各個方位角上合成增益大于5.06 dBi。

圖7 北斗S 頻段交叉偶極子天線單元S11

圖8 2.491 GHz 增益

北斗B2b/L雙頻微帶天線的仿真結果，如圖9～圖10 所示。上下兩層矩形貼片天線S11＜-10 dB 帶寬分別為1.197～1.217 GHz 和1.611～1.633 GHz，在中心頻點1.207 GHz 的法向右旋增益為4.06 dBi，±60°范圍內增益大于-0.61 dBi。在中心頻點1.622 GHz 的±60°范圍內增益大于0.42 dBi。

圖9 北斗B2b/L 雙頻微帶天線S11

圖10 1.207 GHz 和1.622 GHz 增益

3 結語

本文設計了一種用于衛星導航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列，包含3 種不同形式的天線：S 頻段寬帶微帶天線相控陣列，工作頻率為1.98～2.30 GHz；北斗S 頻段交叉偶極子天線，工作中心頻點為2.491 GHz；北斗B2b/L 雙頻微帶天線，工作中心頻點為1.207 GHz 和1.622 GHz。共口徑天線陣列設計中采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣、極化復用等各種技術手段，陣列結構緊湊，布局新穎，降低了天線剖面積，縮小了天線陣列體積，提高了空間利用率，實現了多模式的衛星導航通信功能。不僅3 種形式的天線均具備良好的工作帶寬、軸比以及輻射增益，而且通過陣列排布滿足了S 頻段和北斗S 頻段低仰角通信和抗干擾需求。