一種新型雙線極化BD2 B3抗干擾天線設(shè)計(jì)

張艷梅,李 峰,吳嬋娟

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

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一種新型雙線極化BD2 B3抗干擾天線設(shè)計(jì)

張艷梅,李 峰,吳嬋娟

(北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所,北京 100074)

設(shè)計(jì)了一種雙線極化BD2 B3抗干擾天線單元,采用2個(gè)幅度相等相位相差90°的饋電點(diǎn),產(chǎn)生幅度相等相位正交的2個(gè)線極化波實(shí)現(xiàn)雙線極化,用該天線單元進(jìn)行抗干擾陣列組合,能夠有效減小天線陣列的體積。

雙線極化;微帶天線;耦合;自由度

0 引言

在導(dǎo)彈等飛行器的設(shè)計(jì)中,為了提高整體性能,要求作為導(dǎo)航組件的衛(wèi)星接收天線占用空間盡可能小,同時(shí)又要求衛(wèi)星接收天線具有較高的抗干擾能力。因此,在不影響天線性能的情況下盡可能使天線小型化成為天線設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素[1]。

普通的右旋圓極化天線陣列僅利用了空域信息,體積龐大,而雙線極化天線陣列不僅可以利用期望信號(hào)和干擾信號(hào)空間到達(dá)角的差異在空域?yàn)V波,而且還可以利用其極化狀態(tài)的差異在極化域?yàn)V波。因此為盡可能縮小占用空間同時(shí)具有相同的抗干擾能力,雙極化天線陣列符合彈載平臺(tái)小型化的要求[2-4]。

雙極化天線的一個(gè)天線單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)干擾的抑制,普通右旋圓極化天線是無(wú)法做到這點(diǎn)的。同時(shí),如圖1所示,以四陣元天線陣列為例,常用的右旋圓極化陣元組成的天線陣列的自由度為4-1,即N(天線陣元個(gè)數(shù))-1,而雙線極化四陣元陣列天線的自由度為8-1,即2N-1。所以,在相同布陣面積下，雙線極化天線陣列可以顯著提高天線陣列的自由度。也即,當(dāng)干擾個(gè)數(shù)同為3時(shí),雙線極化天線單元組陣僅需要圓極化天線單元組陣的一半面積,從很大程度上降低了天線所占的體積,為導(dǎo)彈飛行器等節(jié)省空間。

國(guó)外多家大學(xué)已開(kāi)展了極化陣列應(yīng)用于移動(dòng)基站[5]和手持終端[6]的研究,加拿大多倫多大學(xué)電磁研究小組對(duì)極化陣列天線在移動(dòng)通信中的應(yīng)用進(jìn)行了研究;美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)科研小組對(duì)多極化陣列在GPS移動(dòng)通信中手持終端進(jìn)行了研究。該小組開(kāi)發(fā)了單極化和多極化四元陣列,由于極化自由度的增加,解決了GPS小型化問(wèn)題。也就是說(shuō)要抗相同數(shù)目的干擾,極化陣列的幾何孔徑將縮小50%,具有重要意義,標(biāo)志著極化陣列已進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)階段。可見(jiàn),國(guó)外對(duì)于極化陣列天線在導(dǎo)航抗干擾中已有所應(yīng)用,并有效地縮減了陣元天線所占體積。國(guó)內(nèi)對(duì)于極化陣列在導(dǎo)航抗干擾中的應(yīng)用剛剛起步,僅有的幾篇相關(guān)論文也處于仿真研究階段[7-11]。

本文所設(shè)計(jì)的雙線極化天線單元, 利用饋電網(wǎng)絡(luò)將2個(gè)幅度相等相位相差90°的饋電點(diǎn),同時(shí)饋電到輻射貼片上,從而產(chǎn)生幅度相等相位正交的2個(gè)線極化波[12],該天線單元剖面低,可集成度高,可以應(yīng)用到各型抗干擾天線陣列中。

1 天線建模

1.1 微帶天線原理

根據(jù)微帶天線理論[13],貼片單元寬度a的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射阻抗及輸入阻抗?？紤]到要兼顧輻射效率和避免產(chǎn)生高次模,通常要求寬度a滿足式(1)的要求

(1)

1.2 天線建模

由式(1)初步計(jì)算,天線貼片在介質(zhì)板的介電常數(shù)為εr=6.0的情況下,邊長(zhǎng)a=47.2mm,天線結(jié)構(gòu)如圖2所示。頂層為微帶天線輻射貼片,貼片的邊長(zhǎng)為a,中間為微波復(fù)合介質(zhì)板,采用國(guó)產(chǎn)泰州旺靈的TP-2板材,其介電常數(shù)為6.0,厚度為h,最下層為天線的金屬基板。

設(shè)計(jì)中采用背饋的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)饋電信號(hào)的輸出,該方式能夠通過(guò)饋電點(diǎn)的位置變化來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配調(diào)節(jié),信號(hào)從背部饋入,可以避免輸入信號(hào)與輻射信號(hào)的相互干擾,保證天線增益的最大化。按照設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。2個(gè)饋電點(diǎn)之間的距離為d=a/6=7.8mm。

2 仿真分析

本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真軟件進(jìn)行建模仿真,本文以BD2 B3為例進(jìn)行設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)可以衍伸到各導(dǎo)航頻段。輻射貼片的邊長(zhǎng)a確定了該天線的一個(gè)工作頻點(diǎn)BD2 B3的1268.52MHz,邊長(zhǎng)a越大,頻點(diǎn)越向低頻偏移,a越小,頻點(diǎn)越向高頻偏移,可以通過(guò)仿真不同的輻射貼片的尺寸來(lái)適應(yīng)不同的導(dǎo)航頻段。通過(guò)仿真和優(yōu)化確定下來(lái)的尺寸為a=46.6mm,b=65mm,h=4mm,d=8mm，圖3所示為軟件中的仿真模型。

圖4～圖6所示為2個(gè)饋電點(diǎn)中0°饋電點(diǎn)工作時(shí)天線的仿真性能曲線。

圖5中,在BD2 B3頻點(diǎn),該天線的頂向增益為2.58dB,圖6中該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導(dǎo)航天線以及抗干擾天線單元對(duì)方向圖的要求。

圖7～圖9所示為2個(gè)饋電點(diǎn)中90°饋電點(diǎn)工作時(shí)天線的仿真性能曲線。

圖8中,在BD2 B3頻點(diǎn),該天線的頂向增益為2.30dB,圖9中該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導(dǎo)航天線以及抗干擾天線對(duì)方向圖的要求。

極化天線作為極化陣列抗干擾衛(wèi)星接收機(jī)的關(guān)鍵組成部分,負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星與干擾極化信號(hào),其雙線極化之間的互耦對(duì)與抗干擾指標(biāo)尤其重要,圖10中,2個(gè)線極化之間的耦合為-48.46dB,遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一極化產(chǎn)品的陣元之間的耦合。

3 樣機(jī)制作與測(cè)試

用HFSS 13.0進(jìn)行仿真分析后,對(duì)該模型進(jìn)行加工。圖11所示為實(shí)際加工、裝配出來(lái)的雙線極化天線單元。

圖12所示為使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061B測(cè)量的該天線實(shí)物在BD2 B3頻點(diǎn)的反射系數(shù),由結(jié)果可以看出，該天線單元的2個(gè)饋點(diǎn)的反射系數(shù)在-28dB以下,能夠很好地工作在BD2 B3頻點(diǎn)。

對(duì)該雙線極化天線單元進(jìn)行了室外抗干擾試驗(yàn),按照設(shè)計(jì)思想,單個(gè)天線單元可以抗單寬帶干擾。經(jīng)實(shí)際測(cè)試,該天線單元旋轉(zhuǎn)一周對(duì)固定方向的單寬帶干擾的抑制能力達(dá)到了業(yè)內(nèi)的抗干擾水平。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款BD2 B3頻點(diǎn)的雙極化天線單元,通過(guò)2個(gè)相差90°的饋電正交饋電,產(chǎn)生不同的極化。經(jīng)過(guò)仿真分析,該天線單元在2個(gè)不同的極化狀態(tài)下頂向增益均大于2.3dB,在BD2 B3頻點(diǎn)的反射系數(shù)小于-28dB,且該天線單元的2個(gè)線極化之間的耦合也優(yōu)于兩陣元天線陣中2個(gè)右旋圓極化天線單元之間的耦合,性能滿足應(yīng)用要求。利用該天線單元進(jìn)行組陣,可以實(shí)現(xiàn)抗多個(gè)干擾。相較于單一右旋圓極化天線陣列,雙線極化陣列能夠減小陣列面積,為原來(lái)的50%。

該設(shè)計(jì)可以推廣到各導(dǎo)航頻段的設(shè)計(jì),用于各頻段的抗干擾陣列中,應(yīng)用前景十分廣闊。

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A New Design of Dual-linear Polarization Anti-jamming Antenna Element for BD2 B3

ZHANG Yan-mei, LI Feng, WU Chan-juan

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

A design of a dual-linear polarization anti-jamming antenna element for BD2 B3 is presented. The two feed points with equal amplitude phase and 90 degrees phase are used to generate two linear polarized waves with equal amplitude and orthogonal phase in this antenna element. Using this antenna element can reduce the dimension of the antenna array effectively.

Dual-linear polarization; Micro-strip antennas; Coupling; Degrees of freedom

2017-02-10；

2017-03-21

張艷梅(1984-)，女，碩士，工程師，主要從事導(dǎo)航天線方面的研究。E-mail:zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.012

U666.12

A

2095-8110(2017)04-0082-05