一種新型UHF頻段衛(wèi)星通信天線的設(shè)計(jì)

劉永霞　吳軍軍　袁楠

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種新型工作于UHF頻段圓極化機(jī)載衛(wèi)星通信天線，介紹了幾種實(shí)現(xiàn)圓極化的方法，最終選用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子的方式實(shí)現(xiàn)圓極化，通過移相器來實(shí)現(xiàn)90°的相位差，通過增大振子寬度和在輻射體邊緣引入寄生單元等方法，來實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶、寬波束、高增益。通過仿真，最終得到了一款具有高增益、寬波束、低軸比等特點(diǎn)的天線。

關(guān)鍵詞：圓極化;高增益;寬波束

中圖分類號(hào)：TN927.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0154-02

0 引言

UHF衛(wèi)星通信在軍事應(yīng)用中有許多特有的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)的信號(hào)穿透能力，使其不管在城市、叢林中、還是各種氣候環(huán)境等下均能適用。終端實(shí)用性強(qiáng)，UHF終端輕巧而牢固，適合于艦船、車輛、飛機(jī)、單兵背負(fù)，甚至手持使用。在軍方作戰(zhàn)的開始階段，通常沒有夠的時(shí)間鋪設(shè)大量的電話線、光纜或架設(shè)大型的天線系統(tǒng)，使用機(jī)載、車載、背負(fù)或手持等UHF終端實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)單元間的相互通信是最實(shí)用、簡(jiǎn)便的方法。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 圓極化天線原理設(shè)計(jì)

一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和時(shí)間上均正交的等輻線極化波。由此，實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是：產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。

實(shí)現(xiàn)的方法圓極化天線大致分為三種：微帶天線、螺旋天線、正交對(duì)稱振子。微帶天線加工簡(jiǎn)單，但調(diào)試帶寬較窄且復(fù)雜;螺旋天線的增益高但波束窄;正交振子簡(jiǎn)單實(shí)用，增益和軸比好控制。因此，本天線采用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子實(shí)現(xiàn)天線的圓極化，是最常用的實(shí)現(xiàn)圓極化的方法。

1.2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型UHF頻段衛(wèi)星通信天線圓極化部分由兩對(duì)正交饋電的對(duì)振子天線組成。工作頻率為344MHz～351.3和381MHz～396.3MHz，因此可以認(rèn)為它的中心工作頻率為370MHz，此時(shí)對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)為：

由于細(xì)半波振子天線的帶寬較窄，可以通過增加振子直徑的方法增大天線帶寬。對(duì)于印刷型的振子即為增大振子的寬度。

對(duì)稱振子天線采用非平衡的同軸線饋電時(shí)還需要加入平衡器才能保證天線的方向圖不會(huì)發(fā)生畸變。考慮到天線的帶寬約為15%，因此只需設(shè)計(jì)一種窄帶的平衡器即可。新型UHF機(jī)載衛(wèi)星通信天線采用帶阻抗補(bǔ)償?shù)蘑笮桶蛡愖鳛檎褡犹炀€的平衡器，其圓極化部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理是產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量，并使二者振幅相等，相位相差90°;移相器能夠?qū)Σǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)整的一種裝置;該天線是通過移相器來實(shí)現(xiàn)90°的相位差。

天線極化旋向由天線正交振子相位差決定。由理論分析可知，當(dāng)半波振子I的相位超前半波振子II 90°時(shí)，天線極化形式為右旋圓極化。

2 寬波束和高增益設(shè)計(jì)

為了滿足低緯度衛(wèi)星的通信要求，需要天線具有低仰角高增益的特點(diǎn)，這就要求天線在寬波束內(nèi)高增益、低軸比。

為了可以將收發(fā)雙頻段都覆蓋，研究采用增大振子的寬度和漸變饋電等方法展寬帶寬，將振子臂進(jìn)行階梯狀加寬來增加天線的阻抗帶寬。

為了增加低仰角±70°的增益，需對(duì)輻射體進(jìn)行改進(jìn)，輻射體邊緣引入寄生單元，即在圖1的周邊引入寄生單元，如圖2所示。并在圖2的基礎(chǔ)上設(shè)置輻射體的各個(gè)參數(shù)使輻射效率達(dá)到最優(yōu)。

3 仿真結(jié)果

由仿真得到設(shè)計(jì)出的天線電壓駐波比如圖3所示，由圖3可知駐波比在344MHz～351.3MHz和381MHz～396.3MHz兩頻段內(nèi)小于2，電性能良好。

由仿真得到的圓極化天線俯仰面方向圖和天線軸比圖，各頻點(diǎn)的結(jié)果繪制成表格，見表1、表2。

由表1可知各頻點(diǎn)俯仰角±70°增益最小值為-0.82dBi，滿足方位面360°范圍任意角度上，在俯仰面±70°范圍內(nèi)（以天頂為0°），增益≥-1dBi的要求。

天線±70°軸比仿真結(jié)果表2，由表2可知軸比都能滿足以天頂為0°，±70°范圍內(nèi)，軸比≤6dB要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型工作于UHF頻段圓極化機(jī)載衛(wèi)星通信天線，介紹了幾種實(shí)現(xiàn)圓極化的方法，最終選用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子的方式實(shí)現(xiàn)圓極化，通過移相器來實(shí)現(xiàn)90°的相位差，通過增大振子寬度和在輻射體邊緣引入寄生單元等方法，來實(shí)現(xiàn)寬頻帶、寬波束、高增益。通過仿真，最終得到了一款具有高增益、寬波束、低軸比等特點(diǎn)的天線。

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Design of a New UHF Band Satellite Communication Antenna

LIU Yong-xia，WU Jun-jun，YUAN Nan

（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an? Shaanxi? 710089）

Abstract：In this paper， a new type of circularly polarized airborne satellite communication antenna working in UHF band is designed. Several methods to realize circular polarization are introduced. Finally， a pair of orthogonal symmetrical oscillators feed with phase difference of 90 degrees are selected to realize circular polarization. The phase difference of 90 degrees is realized by phase shifter. The broadband， wide beam， high gain antenna is applied by increasing the width of the oscillator and introducing parasitic elements at the edge of the radiator. Through simulated， an antenna with high gain， wide beam and low axis ratio is finally obtained.

Key words：circular polarization; high gain; wide beam