一種單脈沖形式的平板天線設(shè)計(jì)*

張義坡，周 沖

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

平板天線是可用于一些特定頻段的衛(wèi)星通信地球站，通過(guò)地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，與中心站建立衛(wèi)星通信鏈路。1.2 m 口徑以下天線，由于L 頻段波長(zhǎng)較大，使用常規(guī)拋物面天線形式時(shí)輻射饋源尺寸太大導(dǎo)致天線效率較低，且質(zhì)量也無(wú)法滿足適用于車載平臺(tái)安裝的使用需求。

基于L 頻段的頻率限制，設(shè)計(jì)了一種車載平板天線。天線采用平面陣列形式，分為接收和發(fā)射兩個(gè)頻段，由天線單元、和差器、雙工器和電橋組成。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）避免了拋物面形式天線饋源尺寸太大對(duì)電磁波的遮擋，提高了反射面口面利用率；

（2）具備單脈沖跟蹤功能，可以避免因衛(wèi)星漂移帶來(lái)的天線接收效果的降低；

（3）采用微帶平板陣列形式，可有效降低裝車高度，滿足天線小型化的要求；

（4）平板陣列排布采用旋轉(zhuǎn)饋電，具有高增益、低軸比的特點(diǎn)。

1 組 成

天線采用平面陣形式，分為接收和發(fā)射兩個(gè)頻段，由8×8 陣列共64 個(gè)天線單元、3 個(gè)和差器、1 個(gè)雙工器以及1 個(gè)電橋組成。

陣列可將到達(dá)天線口面的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)通過(guò)和差器和雙工器送入射頻前端。

天線口徑尺寸為1 100 mm×1 100 mm，根據(jù)尺寸綜合考慮選用8×8 的單元組成陣列來(lái)滿足增益要求。由于整個(gè)陣列要實(shí)現(xiàn)和差波束單脈沖跟蹤，故把8×8 的陣列設(shè)計(jì)成4 塊4×4 的陣列，以實(shí)現(xiàn)其功能。為了改善天線陣列的軸比，天線單元陣列排布時(shí)采用旋轉(zhuǎn)饋電方式[1]。

2 單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的天線單元工作頻率范圍為1.518～ 1.675 GHz，采用的介質(zhì)基板是FR4，相對(duì)介電常數(shù)為4.4，厚度為1.5 mm。根據(jù)傳輸線理論可以計(jì)算微帶貼片單元的參數(shù)，有效介電常數(shù)可由施奈德得出的簡(jiǎn)單經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，即為：

等效輻射縫隙長(zhǎng)度ΔL可由哈默斯塔德給出的經(jīng)驗(yàn)公式得出，即：

貼片單元的長(zhǎng)和寬為：

介質(zhì)基板的尺寸確定為：

式中：λe為介質(zhì)中波長(zhǎng)；c是光速；f0是中心頻率；h是介質(zhì)基板的厚度；L、W分別為輻射貼片的長(zhǎng)和寬；Lg、Wg分別代表介質(zhì)基板的長(zhǎng)和寬；ΔS、S分別代表微擾的面積和貼片單元的面積；Q是品質(zhì)因數(shù)。按照上述公式可確定單元尺寸。

饋電方式采用雙饋點(diǎn)饋電。天線單元采用雙饋點(diǎn)耦合饋電的圓極化微帶天線[2]，采用雙層貼片設(shè)計(jì)。天線輻射層采用倒置結(jié)構(gòu)，與饋電層形成雙諧振回路，具有兩個(gè)諧振頻率。當(dāng)兩個(gè)諧振頻率適當(dāng)接近時(shí)形成雙峰諧振電路，展寬天線帶寬。雙饋點(diǎn)微帶圓極化天線通過(guò)外加的二端口功分器，對(duì)貼片上二正交饋點(diǎn)產(chǎn)生兩個(gè)振幅相等、相位相差90°的激勵(lì)形成圓極化[3]。

仿真優(yōu)化后天線單元貼片大小為60 mm×60 mm，單元仿真模型如圖1 所示。

圖1 單元仿真模型

3 天線組陣設(shè)計(jì)

為了滿足高增益要求設(shè)計(jì)成8×8 的陣列，將8×8 的陣列設(shè)計(jì)成4 塊4×4 的陣列。4 個(gè)單元進(jìn)行旋轉(zhuǎn)饋電，再將2×2 的4 個(gè)單元由功分網(wǎng)絡(luò)合成4×4 的陣列，最后將4 個(gè)4×4 的子陣通過(guò)3 個(gè)和差器、1 個(gè)雙工器和1 個(gè)90°電橋合成一個(gè)8×8的陣列。

陣列天線跟蹤采用四子陣和差單脈沖跟蹤形式。天線子陣1 和子陣2、天線子陣3 和子陣4 分別由兩個(gè)一級(jí)和差器合成方位和、俯仰和、方位差、俯仰差，通過(guò)二級(jí)和差器將兩個(gè)俯仰和形成總的方位差，兩個(gè)俯仰差合成總的俯仰差，總的方位差和俯仰差再通過(guò)90°電橋合成一路總差信號(hào)。俯仰和和方位和合成總的和信號(hào)，再通過(guò)雙工器分離發(fā)射和接收信號(hào)[4]。

天線子陣分塊示意圖如圖2 所示，單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3 所示。

圖2 天線子陣分塊示意

圖3 單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)

為了降低后端單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)損耗，將圖3 中3 個(gè)和差器、0°同向合成及90°電橋進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并將其集成為一個(gè)模塊。通過(guò)一體化設(shè)計(jì)，該模塊可使和路及差路插損≤0.6 dB，路間幅度一致性≤±0.3 dB。

為了進(jìn)一步降低雙工器的帶內(nèi)插損，提高它的功率容量，在以下物理結(jié)構(gòu)和加工工藝幾個(gè)方面做了改進(jìn)：

（1）增加腔濾濾波器諧振器末端到上蓋板之間的間距，減小空間電離放電的可能；

（2）增大每個(gè)諧振腔的體積，提高單個(gè)諧振腔的有載Q值；

（3）提高腔體雙工器的表面光潔度，減小大功率狀態(tài)下腔體內(nèi)壁電流的趨膚效應(yīng)；

（4）增加腔體雙工器的表面銀層的厚度，減小大功率狀態(tài)下腔體內(nèi)壁表面的電阻率。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和差器、雙工器等器件，可將后端單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)整體損耗減小至1.1 dB 以內(nèi)，收發(fā)隔離度≥80 dB，通過(guò)功率≥300 W。

4 仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果

根據(jù)技術(shù)要求，確定微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸為1 100 mm×1 100 mm×50 mm，使用HFSS 軟件建立仿真模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。天線陣列仿真模型示意圖如圖4 所示。

圖4 天線陣列仿真模型

考慮到和差器件相位的誤差，將±1°的相位帶到天線陣列里計(jì)算，使用軟件仿真，得到的天線和差方向圖仿真結(jié)果如圖5～圖8 所示。根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工裝配，最終天線的測(cè)試結(jié)果如圖9～圖12 所示。

圖5 天線接收方向圖仿真結(jié)果（1.518 GHz）

圖6 天線接收方向圖仿真結(jié)果（1.559 GHz）

圖7 天線發(fā)射方向圖仿真結(jié)果（1.626 5 GHz）

圖8 天線發(fā)射方向圖仿真結(jié)果（1.675 GHz）

圖9 天線接收方向圖測(cè)試結(jié)果（1.518 GHz）

圖10 天線接收方向圖測(cè)試結(jié)果（1.559 GHz）

圖11 天線發(fā)射方向圖測(cè)試結(jié)果（1.626 5 GHz）

圖12 天線發(fā)射方向圖測(cè)試結(jié)果（1.675 GHz）

天線在仿真時(shí)未包含天線后端的和差器、雙工器、電纜等設(shè)備損耗（約1.5 dB），將其去除后與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，兩者之間的方向圖及旁瓣等數(shù)據(jù)基本一致。詳細(xì)仿真（包含后端設(shè)備損耗）與實(shí)測(cè)結(jié)果比較如表1 所示。

表1 天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致，受后端電纜損耗及相位影響導(dǎo)致，天線效率有所偏差，但是都能夠滿足工程項(xiàng)目中的天線電氣指標(biāo)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)平板陣列天線的分析和計(jì)算，最終給出了一種高效率、低副瓣、單脈沖形式的車載平板天線。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的天線電性能優(yōu)良，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好。此設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用到某L 頻段車載站中。