衛(wèi)星通信傘天線的研究與設(shè)計(jì)

郭東洋，李 萍，王藝潼，李俊理

(1.武警工程學(xué)院研究生隊(duì)，陜西西安 710086;2.武警沈陽指揮學(xué)院技術(shù)基礎(chǔ)教研室，遼寧沈陽 110000)

反射面天線因具有單個(gè)天線增益高、頻帶寬的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、微波通信中繼、移動(dòng)通信基站、車載站等場(chǎng)合[1]?，F(xiàn)今普遍使用的天線反射面大多由剛性材料制成。不能折疊壓縮，體積大、質(zhì)量大、成本高等缺點(diǎn)限制了此類天線在機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)場(chǎng)合中的應(yīng)用。事實(shí)上，可折疊的反射面天線結(jié)構(gòu)具有增益高、重量輕、折疊后攜帶方便等優(yōu)勢(shì)，與目前其他同樣性能天線相比，更適于應(yīng)急、處突、搶險(xiǎn)、救災(zāi)、搜救等場(chǎng)合[2-3]。近年來，在無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用要求與新型材料和加工工藝的推動(dòng)下，天線技術(shù)發(fā)展迅速。經(jīng)過幾年的研究測(cè)試發(fā)現(xiàn):銀纖維布具有導(dǎo)電性能好、反射率高、質(zhì)量小、表面光潔度好，可折疊10萬次以上而不影響電性能等特點(diǎn)，是制作電磁波反射面的理想材料。課題組依托某研究所針對(duì)單層和雙層兩種銀纖維布進(jìn)行的電磁性能測(cè)試。測(cè)試表明:在7～25 GHz的頻段內(nèi)，單層銀纖維布的反射能力范圍為30～60 dB，雙層銀纖維布的反射能力范圍為65～80 dB，因此可以用作為反射面天線的反射材料。因此文中旨在利用銀纖維布設(shè)計(jì)制作一種便于折疊、攜帶的反射面天線。

1 偏置拋物面天線原理

偏置拋物面天線由截取旋轉(zhuǎn)拋物面天線的一部分而來，它的優(yōu)勢(shì)就是大幅減少了饋源對(duì)反射波的遮擋，從而提高了天線的增益和口面效率，因此廣泛應(yīng)用于Ku波段和Ka波段的衛(wèi)星通信中。對(duì)于單偏置反射面天線，從焦點(diǎn)發(fā)出的各條電磁波射線經(jīng)拋物面反射后到達(dá)拋物面口徑上的路程仍為常數(shù)。等相位面為垂直于拋物面主軸的平面，拋物面的口徑場(chǎng)為同相場(chǎng)，反射波仍為平行于拋物面主軸的平面波。圖1給出了常見偏置反射面天線的幾何關(guān)系[4-5]。

圖1 單偏置反射面天線幾何關(guān)系示意圖

圖1中，F(xiàn)為拋物面的焦距，D為單偏置拋物面在xoy平面的投影直徑，又稱單偏置拋物面天線的口徑。H為單偏置拋物面的下邊緣偏置高度。對(duì)于拋物面上一點(diǎn) P (x，y，z)，拋物面方程為

θ1是圖1中拋物線上下邊緣夾角的角平分線與z軸的夾角，為

半張角θ2為

饋源軸指向反射面的中心，與z軸的夾角θ0為

用 F ，θ1和 θ2表示D和H得

2 傘天線的仿真與設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)工作于Ku波段的單偏置反射面天線，考慮到實(shí)際中使用的饋源尺寸及所使用雨傘結(jié)構(gòu)限制的要求，選取的幾何參數(shù)為D=1.3 m，H=0.06 m，F(xiàn)/D=0.75。在FEKO軟件中利用PO和MOM結(jié)合分析的方法建立分立幾何模型，如圖2所示。

圖2 1.3 m單偏置反射面天線在FEKO中的幾何模型

在12.5 GHz的頻點(diǎn)上用MOM算法計(jì)算喇叭近場(chǎng)結(jié)果，并保存到*.efe和*.hfe文件中;然后使用前述近場(chǎng)結(jié)果作為激勵(lì)源，由PO算法計(jì)算出整個(gè)反射面天線的電磁性能參數(shù)。所得增益如圖3和圖4所示。

圖4 1.3 m單偏置拋物面天線的二維方向圖

由圖3和圖4可知，所設(shè)計(jì)天線的增益理論上不小于42 dB，實(shí)際選用高效饋源，進(jìn)一步保證了高增益。

在以往測(cè)量中，單層銀纖維布的反射性能相對(duì)較弱，對(duì)Ku波段的電磁波來說還存在較大的泄漏;而雙層銀纖維布的緊密重疊卻有效地減少了對(duì)電磁波的泄漏，極大地增強(qiáng)了其反射性能。因此采用雙層銀纖維布緊密重疊的結(jié)構(gòu)來作為反射面材料。

雨傘結(jié)構(gòu)由于具有開合方便、便于攜帶以及和拋物面外觀結(jié)構(gòu)相似等特點(diǎn)，是研究和制作輕便反射面天線的理想結(jié)構(gòu)。文中選用非金屬骨架且剛性好的美國軍用511雨傘，通過對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單改造即制作出了適于單偏置拋物面天線的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3 結(jié)束語

依托511雨傘結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作了一種質(zhì)量輕、可折疊、便于攜帶的偏置拋物面天線。經(jīng)鑫諾1號(hào)衛(wèi)星通信測(cè)試，能夠高質(zhì)量地進(jìn)行語音和視頻傳輸業(yè)務(wù)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了利用新材料、新結(jié)構(gòu)改造原有設(shè)備的目的，所研制衛(wèi)星通信傘天線可有效用于應(yīng)急通信。

圖3 1.3 m單偏置拋物面天線的立體方向圖

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