馮文文,李 磊,王群杰,鄒永慶
(中國電子科技集團公司第三十八研究所,合肥 230088)
由于國土面積的限制,為了實時同地面站保持通信,中低軌人造地球衛(wèi)星需采用中繼衛(wèi)星對信息進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這就要求安裝在衛(wèi)星上的中繼終端天線具備圓極化、寬波束覆蓋等特征。
寬波束天線在工程設(shè)計中除了考慮電性能指標的實現(xiàn)外還需要考慮使用的空間環(huán)境和加工制造工藝水平。常用的寬波束天線結(jié)構(gòu)有微帶貼片天線[1-2]、扼流喇叭天線[3-4]、四臂螺旋天線[5-7]和雙臂螺旋天線[8-9]等,其中微帶貼片天線具有剖面低、質(zhì)量輕等優(yōu)點。但是,微帶介質(zhì)材料無法滿足星載環(huán)境下的抗輻照特性。扼流喇叭天線為全金屬結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)雙圓極化,但在低波段尺寸太大而無法使用。四臂螺旋天線可以實現(xiàn)較好的電性能,但饋電電路復(fù)雜,需要專門設(shè)計一個順序饋電的功分電路。這會增加天線的損耗且降低天線的增益。雙臂螺旋天線結(jié)構(gòu)簡單、饋電方便、尺寸較小,但工作帶寬較窄,通常需要安裝接收和發(fā)射兩個天線來實現(xiàn)同時收發(fā)的目的。
本文改進了雙臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)形式。通過優(yōu)化螺旋天線的尺寸以及饋電同軸線,使天線在收發(fā)兩個頻點均能滿足增益在±70°波束覆蓋范圍內(nèi)(θ∈[-70°,70°], Φ∈[0,180°])大于1 dB、同時天線軸比優(yōu)于6 dB及電壓駐波比小于1.3的指標要求。
螺旋線的幾何特性可以用螺旋直徑D、螺距P和匝數(shù)N等結(jié)構(gòu)參數(shù)描述。螺旋天線的輻射特性跟螺旋線的幾何參數(shù)有關(guān),在D/λ≤0.18時其最大輻射方向在垂直于螺旋軸線的平面內(nèi),其方向性與載電流小環(huán)類似。這種螺旋天線稱為法向模螺旋天線,在D/λ=0.25~0.46時其最大輻射方向在軸線方向。這種螺旋天線稱為軸向模螺旋天線。
目前,不能通過解析的方法計算出合適的參數(shù),可利用電磁仿真軟件優(yōu)化雙臂螺旋天線的螺距、匝數(shù)和半徑,使天線的遠場方向圖滿足任務(wù)要求。本文采用4段首尾相接的螺旋作為天線臂,優(yōu)化得到其參數(shù)如表1,雙臂螺旋天線的形狀如圖1。
表1 優(yōu)化后的螺旋參數(shù)
圖1 螺旋初始模型
為了給雙臂螺旋天線的兩個螺旋臂平衡饋電,采用同軸裂縫巴倫形式。螺旋天線一個臂與同軸線外導(dǎo)體連接,另一個臂通過外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體連接,巴倫長度取34 mm,裂縫尺寸取 2 mm。為了改善裂縫巴倫的性能,在巴倫頂部采用抗輻照性能較好的聚酰亞胺介質(zhì)進行加載。仿真模型如圖2所示。
圖2 天線同軸裂縫巴倫
根據(jù)以上分析,在HFSS中建立起雙臂螺旋天線的三維仿真模型,通過優(yōu)化螺旋參數(shù)和巴倫尺寸,得到滿足指標要求的天線方向圖;然后保持饋電同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑不變,改變同軸線的內(nèi)導(dǎo)體外徑和電長度,優(yōu)化天線的電壓駐波比。天線仿真模型如圖3所示。
圖3 天線仿真模型
為了觀察上半空間的天線輻射性能,圖4和圖5給出了收發(fā)頻點下不同Φ切面的輻射方向圖和軸比曲線。仿真結(jié)果顯示,天線在收發(fā)頻點的增益在±70°范圍內(nèi)大于1.2 dB,軸比優(yōu)于6 dB。
圖4 接收頻點天線仿真方向圖和軸比曲線
雙臂螺旋天線采用直徑為1.3 mm的高精度鈹青
圖5 發(fā)射頻點天線仿真方向圖和軸比曲線
銅絲繞制,經(jīng)過淬火成型處理,將其安裝固定在復(fù)合材料制作的支撐結(jié)構(gòu)上。該天線在球面近場暗室架設(shè)并測試方向圖,如圖6所示。
圖6 天線暗室測試圖
天線在接收和發(fā)射兩個頻點下不同Φ切面下實測的軸比和方向圖曲線見圖7和圖8。實測結(jié)果顯示,該天線工作在接收頻點時,天線在上半空間±70°范圍內(nèi),天線增益大于1.25 dB,天線軸比小于5.9 dB;該天線工作在發(fā)射頻點時,天線在上半空間±70°范圍內(nèi),天線增益大于1.4 dB,軸比小于5.86 dB,測試結(jié)果跟仿真設(shè)計結(jié)果一致。
圖7 接收頻點天線實測方向圖和軸比曲線
圖8 發(fā)射頻點天線實測方向圖和軸比曲線
圖9給出了天線仿真電壓駐波比和實測電壓駐波比曲線。從圖中可以看出,天線在收發(fā)頻點的仿真電壓駐波比小于1.18,天線在收發(fā)頻點的實測電壓駐波比優(yōu)于1.2,天線實測駐波比和仿真駐波比吻合較好。
圖9 天線電壓駐波比曲線
本文提出的寬波束天線具有體積小、質(zhì)量輕等特點,便于加工制造,且能夠覆蓋收發(fā)兩個工作頻點,節(jié)省了星上的安裝空間。該天線已通過星載環(huán)境試驗,并應(yīng)用于某星載天線系統(tǒng)中,具有很高的工程應(yīng)用價值。