新一代潛用UHF 頻段衛(wèi)星通信天線研究

段安民，蘇 赫，楊懿楠

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的衛(wèi)星通信技術(shù)處于高速發(fā)展階段，無(wú)論是衛(wèi)星通信手段、通信速率還是通信覆蓋范圍都朝著多樣化、高速率和多區(qū)域的方向發(fā)展[1]。衛(wèi)星通信作為一種不受地理?xiàng)l件約束、通信容量高、覆蓋范圍廣的通信手段無(wú)論在民用還是軍用都有著十分重要的地位?，F(xiàn)役潛艇為了能夠適應(yīng)最新體制下的衛(wèi)星通信要求，天線需要針對(duì)最新的頻段、帶寬等要求展開(kāi)進(jìn)一步的研究。潛艇平臺(tái)的工作環(huán)境惡劣，天線需要長(zhǎng)期處于水下的儲(chǔ)存環(huán)境中，可供天線安裝的空間有限。潛用天線[2]在滿足通信的各項(xiàng)電氣指標(biāo)以外還需要適應(yīng)潛艇平臺(tái)耐水壓和小型化的設(shè)計(jì)要求。

天線為了滿足在惡劣海況下大角度橫搖和縱搖時(shí)的通信效果，需采用寬輻射波束[3–5]的天線形式，保證天線在不同姿態(tài)下都能夠?qū)?zhǔn)衛(wèi)星。同時(shí)，由于受到平臺(tái)安裝的限制以及考慮到后期與其他天線能夠一體化集成，UHF 天線應(yīng)盡量縮小徑向尺寸采取在軸線方向布置天線輻射體的設(shè)計(jì)思路。軸向模四臂螺旋天線是一種能夠滿足上述要求的天線形式，但傳統(tǒng)的四臂螺旋天線相對(duì)帶寬一般僅有5%～8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)天線的饋電網(wǎng)絡(luò)[6]尺寸較大，也不能適應(yīng)與天線軸向集成的安裝要求。因此，急需對(duì)新一代的UHF 頻段衛(wèi)星通信天線展開(kāi)研究。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線電氣設(shè)計(jì)

基于四臂螺旋天線[7–9]的理論基礎(chǔ)，天線在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)、寬帶化設(shè)計(jì)和一體式饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。四臂螺旋天線是一種諧振式天線，是由4 根螺旋臂組成，每根螺旋臂的長(zhǎng)度為Mλ/4（M為整數(shù)，λ為諧振頻率的波長(zhǎng)）。螺旋臂的長(zhǎng)度包括螺旋部分和頂端徑向部分，4 根螺旋臂饋電端電流幅度相等，相位依次相差90°，非饋電端開(kāi)路（M為奇數(shù)時(shí)）或短路（M為偶數(shù)時(shí)），如圖1 所示。四臂螺旋天線可以看成是由2 個(gè)雙臂螺旋天線組成的，這2 個(gè)雙臂螺旋天線需要以90°相位差饋電[10–12]。

圖1 不同的螺旋結(jié)構(gòu)Fig.1 Different helical structures

如圖2 所示，諧振式四臂螺旋天線基本參數(shù)如下：r0為螺旋的半徑；P為螺距（每一螺旋臂旋轉(zhuǎn)一圈的軸向長(zhǎng)度）；N為螺旋匝數(shù)；Lele為螺旋臂的長(zhǎng)度；k=r0/P，為螺旋半徑與螺距之比；Lax=PN，為螺旋的軸向長(zhǎng)度；四臂螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)可由式(1)確定。

圖2 四臂螺旋天線參數(shù)簡(jiǎn)化示意圖Fig.2 Simplified schematic diagram of four arm spiral antenna parameters

當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，A=1；當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，A=2。根據(jù)衛(wèi)星通信鏈路的計(jì)算，天線增益大于0 dB 時(shí)可保證整個(gè)鏈路的可通率。結(jié)合天線使用工況和海情海況分析，天線0 dB 波束寬度大于130°時(shí)基本可以滿足天線對(duì)星增益大于0 dB。天線其他的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 天線主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Antenna main tactical technical indicators

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，天線按照最小螺旋匝數(shù)N=0.75 設(shè)計(jì)可以最大幅度降低天線的高度，實(shí)現(xiàn)小型化的要求。為了實(shí)現(xiàn)寬帶化要求，天線通過(guò)展寬和采用變寬度的輻射臂來(lái)改變電流的流向與路徑，并加載寄生輻射臂增強(qiáng)天線之間的耦合效應(yīng)最終實(shí)現(xiàn)展寬輻射帶寬的效果。

1.2 天線有限元仿真

采用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 進(jìn)行仿真分析，天線仿真模型如圖3 所示。天線共有4 組8 根輻射臂，輻射臂相互之間為開(kāi)路，下端與饋電網(wǎng)絡(luò)端口連接。每組輻射臂中的主臂寬度約為22 mm，可改善天線的特性阻抗。每條主輻射臂的一旁短接有一根與其平行螺旋上升的寄生輻射臂，該寄生枝節(jié)可以拓展天線阻抗匹配頻點(diǎn)。將2 種方法結(jié)合起來(lái)，通過(guò)尺寸優(yōu)化調(diào)整使天線主輻射臂與寄生輻射臂分別覆蓋天線發(fā)射與接收頻段，實(shí)現(xiàn)天線諧振頻段的展寬。由于天線工作在耐壓天線罩內(nèi)部，因此仿真計(jì)算結(jié)合天線罩同步進(jìn)行。

圖3 UHF 天線仿真模型Fig.3 UHF antenna simulation model

在天線指標(biāo)要求中發(fā)射頻段的帶寬達(dá)到了40 MHz，這里使用較寬的主輻射臂去覆蓋該頻段，接收頻段的帶寬為16 MHz，使用寄生輻射臂覆蓋該頻段。經(jīng)過(guò)天線寬度、高度、間距等參數(shù)的不斷優(yōu)化，以及考慮天線罩加載之后對(duì)天線特性阻抗的影響，最終得到的天線仿真結(jié)果如圖4～圖6 所示。

圖4 UHF 天線電壓駐波比仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of UHF antenna VSWR

圖5 發(fā)射、接收頻段0 dB 波束寬度仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of 0 dB beamwidth in transmitting and receiving frequency bands

圖6 UHF 天線軸比仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of UHF antenna axis ratio

結(jié)合仿真分析可以得出，天線發(fā)射頻段VSWR 小于2，天線0 dB 波束寬度大于180°，軸比小于0.13 dB，接收頻段VSWR 小于2.8，0 dB 波束寬度大于164°，軸比小于0.08 dB，雖然接收頻段的VSWR 較高，但該頻段為接收使用，仍然能夠滿足使用要求。

1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與仿真

四臂螺旋天線4 條輻射臂需要以90°相位差等幅饋電，同時(shí)天線的工作帶寬相對(duì)較寬，所以常規(guī)形式的威爾金森功分器并不能滿足其使用要求?？紤]到饋電網(wǎng)絡(luò)小型化、天饋集成一體設(shè)計(jì)，采用LTCC 電橋結(jié)合相移微帶線的形式搭建寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)。這里采用國(guó)產(chǎn)LTCC 器件，滿足自主可控要求，電橋主要性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 LTCC 電橋主要性能指標(biāo)Tab.2 LTCC bridge main performance indicators

饋電網(wǎng)絡(luò)仿真模型如圖7所示。設(shè)計(jì)中采用了3個(gè)LTCC的電橋，首先通過(guò)一個(gè)電橋功率等分出相位為0°與90°的2 個(gè)端口，然后通過(guò)微帶線將2 個(gè)端口中心頻點(diǎn)的相位差增加至180°，最后再2 路電橋擴(kuò)展出相位為0°，90°，180°，270°的4 個(gè)饋電端口。天線設(shè)計(jì)功率容量為50 W，LTCC 電橋的最小端口隔離度18 dB，若電橋輸出端口完全失配時(shí)，隔離端口受到反射功率影響后感應(yīng)到的功率約為0.79 W，考慮到功率以及通信時(shí)間的冗余設(shè)計(jì)，電橋隔離端口采用耐受功率為20 W的大功率貼片電阻作為隔離電阻。將上述設(shè)計(jì)代入仿真模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖7～圖10 所示。

圖7 UHF 天線饋電網(wǎng)絡(luò)Fig.7 UHF antenna feed network

圖8 UHF 天線饋電網(wǎng)絡(luò)VSWRFig.8 VSWR of UHF antenna feed network

圖9 饋電網(wǎng)絡(luò)功率分配仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of power distribution in feed network

圖10 饋電網(wǎng)絡(luò)端口相位仿真結(jié)果Fig.10 Feed network port phase simulation results

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，饋電網(wǎng)絡(luò)駐波比小于1.05，能夠?qū)崿F(xiàn)4 個(gè)端口的功率分配，不平衡度小于0.2 dB，中心頻點(diǎn)相位延遲在90°±4°以內(nèi)，微帶線和LTCC 電橋都能夠承受50 W 以上的功率，滿足UHF 天線的使用要求。

1.4 天線、饋電網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合仿真

結(jié)合天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和天線的結(jié)構(gòu)支撐部件，將天線所有組成部件聯(lián)合進(jìn)行仿真，仿真模型如圖11 所示，計(jì)算結(jié)果如圖12～圖14 所示。

圖11 天線單元、饋電網(wǎng)絡(luò)和支撐部件集成示意圖Fig.11 Schematic diagram of antenna unit,feed network and support component integration

圖12 集成后VSWR 仿真結(jié)果Fig.12 VSWR simulation results after integration

圖13 集成后發(fā)射、接收頻段方向圖仿真結(jié)果Fig.13 Simulation results of transmitting and receiving band direction diagram after integration

圖14 UHF 天線軸比仿真結(jié)果仿真結(jié)果Fig.14 UHF antenna axis ratio simulation results Simulation results

聯(lián)合仿真計(jì)算結(jié)果表明天線在發(fā)射頻段VSWR 小于1.41，0 dB 波束寬度大于150°，接收頻段VSWR 小于1.42，0 dB 波束寬度大于140°，全頻段內(nèi)軸比與單獨(dú)天線仿真計(jì)算結(jié)果一致，天線輻射臂、饋電網(wǎng)絡(luò)均能夠承受50 W 功率容量，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足UHF 衛(wèi)星通信鏈路的使用要求。

2 天線樣機(jī)性能測(cè)試及分析

UHF 衛(wèi)通天線輻 射臂采用3 mm 厚度的鋁管通過(guò)數(shù)控機(jī)床線割加工制成，4 組輻射臂環(huán)繞在由環(huán)氧樹(shù)脂玻璃鋼材料制作的天線支撐部件上，并通過(guò)螺釘進(jìn)行固定。功分移相饋電網(wǎng)絡(luò)由相對(duì)介電常數(shù)為9.6，厚度為2 m m 的介質(zhì)基板制成，表面附有微帶線、LTCC 電橋以及負(fù)載電阻。

天線與饋電網(wǎng)絡(luò)電氣集成后安裝在耐水壓天線罩內(nèi)部，在室外反射測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行了電壓駐波比測(cè)試和天線輻射方向圖測(cè)試，方向圖測(cè)試分別記錄了天線水平與垂直方向的輻射分量，最后通過(guò)matlab 修正反射場(chǎng)的影響，合成得出天線的實(shí)際輻射方向圖，結(jié)果如圖15所示。實(shí)際測(cè)試的結(jié)果如表3～表6 所示。

圖15 UHF 天線方向圖測(cè)試結(jié)果Fig.15 Test results of UHF antenna pattern

表3 LTCC 電橋主要性能指標(biāo)Tab.3 LTCC bridge main performance indicators

表4 UHF 天線駐波比測(cè)試結(jié)果Tab.4 UHF antenna VSWR test results

表5 UHF 天線發(fā)射頻段方向圖測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of UHF antenna transmitting band direction chart

表6 UHF 天線接收頻段方向圖測(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results of UHF antenna receiving band direction chart

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究實(shí)現(xiàn)了一種適應(yīng)最新潛用體制的UHF 頻段衛(wèi)星通信天線，設(shè)計(jì)采用變寬度輻射臂加載寄生臂的方式實(shí)現(xiàn)了寬帶收發(fā)共用天線形式，并利用國(guó)產(chǎn)化LTCC 電橋搭建了與天線一體化集成使用的功分移相饋電網(wǎng)絡(luò)，滿足裝備100%國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)商用電磁仿真軟件Ansoft HFSS 進(jìn)行天線與饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和聯(lián)合仿真，并制作了實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果吻合，驗(yàn)證了方案的可行性，滿足UHF 頻段衛(wèi)通通信鏈路的使用要求。

該UHF 衛(wèi)星通信天線具有適應(yīng)海洋環(huán)境，徑向尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，同時(shí)還具備與視距通信天線、高頻衛(wèi)星通信天線等一體化集成的能力，適合水面艦船、潛艇、UUV 等水面、水下平臺(tái)使用，將來(lái)還可以與其他類型的天線統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，覆蓋更廣的通信頻段、實(shí)現(xiàn)更多的通信手段，具備更強(qiáng)的通信能力。