新型共孔徑導(dǎo)航天線

穆 欣

新型共孔徑導(dǎo)航天線

穆 欣

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

提出了一種新型共孔徑導(dǎo)航天線。利用不同天線具有不同輻射空間的特點(diǎn)，在低頻天線弱輻射區(qū)加載高頻天線輻射區(qū)，兩天線輻射區(qū)域互補(bǔ)的思路實(shí)現(xiàn)共孔徑。仿真證明天線輻射性能不僅能夠滿足兩種導(dǎo)航要求，同時(shí)兩個(gè)天線端口之間的隔離度大于82 dB。該設(shè)計(jì)思路對(duì)減少機(jī)載平臺(tái)天線的數(shù)量，提高系統(tǒng)集成度具有指導(dǎo)意義。

共孔徑天線；導(dǎo)航天線；高隔離度

0 引言

隨著軍事科技水平的不斷提高，未來戰(zhàn)爭對(duì)作戰(zhàn)平臺(tái)的信息化、綜合化、隱身性以及遠(yuǎn)程打擊能力要求更高。大量多功能電子設(shè)備集成在有限空間尺寸的作戰(zhàn)平臺(tái)上，不同設(shè)備帶來的天線數(shù)量非常多，大量天線造成平臺(tái)電磁兼容性差、雷達(dá)反射面積增大、防護(hù)性差、維護(hù)困難等問題，因此必須對(duì)天線進(jìn)行射頻孔徑綜合化設(shè)計(jì)以減少天線數(shù)量。射頻孔徑綜合主要原則是采用盡量少的天線孔徑滿足雷達(dá)、電子戰(zhàn)、敵我識(shí)別和通信導(dǎo)航等任務(wù)，同時(shí)不能因孔徑綜合而引起天線功能的下降[1]。這就需要對(duì)天線綜合孔徑進(jìn)行研究，合理高效利用天線孔徑。美國空軍F-35戰(zhàn)機(jī)應(yīng)用的“寶石臺(tái)”計(jì)劃研究表明采用綜合射頻傳感器系統(tǒng)可將天線孔徑數(shù)量縮減50%以上，極大降低了飛機(jī)的重量和成本，同時(shí)為飛機(jī)的隱身、電磁兼容、可靠性等方面性能提升帶來極大好處。

孔徑綜合的常用方法主要包括寬帶天線技術(shù)、多頻天線技術(shù)和孔徑共用技術(shù)，其中寬帶天線技術(shù)和多頻天線技術(shù)已有諸多學(xué)者進(jìn)行了研究，而孔徑共用技術(shù)相對(duì)較少。文獻(xiàn)[1]中，利用低頻正交微帶振子天線和高頻方形貼片天線組成了S/X雙波段共孔徑微帶天線陣，其中，高頻天線單元填補(bǔ)了低頻陣面的空隙，合理設(shè)計(jì)間距實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波段天線耦合較小，互相不影響輻射性能；文獻(xiàn)[2]中，通過設(shè)計(jì)去耦合網(wǎng)絡(luò)提升移動(dòng)終端內(nèi)多天線之間隔離度，解決了多通信體制共存時(shí)的相互干擾問題，實(shí)現(xiàn)了天線共孔徑設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3-4]中都利用了在低頻天線開孔而不影響輻射性能的方法，用高頻方形貼片天線置于低頻波段開孔下方，利用開孔進(jìn)行輻射，分別構(gòu)成了L/C波段和L/X波段的共孔徑微帶陣。雖然上述孔徑共用的方法可以實(shí)現(xiàn)雙頻段共用，但存在以下缺點(diǎn)：

1）頻率比限制，兩個(gè)頻段必須相距較遠(yuǎn)；

2）兩個(gè)頻段的天線需保持同極化；

3）每個(gè)天線采用不同的饋電網(wǎng)絡(luò)，造成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

本文提出一種新穎的天線孔徑共用的設(shè)計(jì)方法。利用不同天線具有不同輻射區(qū)域的特點(diǎn)，在低頻天線弱輻射區(qū)加載高頻天線輻射區(qū)，兩天線輻射區(qū)域互補(bǔ)的共孔徑思路。這樣既可以提高天線結(jié)構(gòu)空間利用效率，又同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輻射方向圖互不影響，保持了天線的輻射性能?；谏鲜鲈O(shè)計(jì)思路，將一個(gè)C波段垂直極化全向輻射盤錐天線集成在雙頻圓極化定向輻射微帶天線上，在保持低頻天線結(jié)構(gòu)尺寸基本不變的同時(shí)，直接減少了C波段天線孔徑。經(jīng)過仿真計(jì)算，該天線不僅同時(shí)滿足了GPS L1和北斗B3兩個(gè)頻段的衛(wèi)導(dǎo)功能，還滿足了C波段微波著陸測角功能，而且兩個(gè)天線端口隔離度達(dá)到了82 dB以上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)功能互不影響。如果該天線應(yīng)用在機(jī)載平臺(tái)上，不僅能夠同時(shí)滿足衛(wèi)星導(dǎo)航和微波著陸天線功能，還能減少一個(gè)C波段天線孔徑。

1 共孔徑天線設(shè)計(jì)

微帶天線是一種常見的圓極化天線形式，常常被應(yīng)用在衛(wèi)導(dǎo)天線設(shè)計(jì)中。該類型天線具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）成本低廉，工藝成熟，對(duì)加工工藝要求不高，適合進(jìn)行批量生產(chǎn)；

2）體積小、重量輕、剖面低，易于與載體（如飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等）結(jié)構(gòu)共形；

3）微帶天線及其饋電網(wǎng)絡(luò)易于集成，實(shí)現(xiàn)圓極化輻射結(jié)構(gòu)簡單。微帶天線最大的缺點(diǎn)是帶寬窄，為了滿足衛(wèi)導(dǎo)天線的多模工作，通常采用多頻工作的多層微帶設(shè)計(jì)。

盤錐天線是一種常見的小型化全向輻射垂直極化天線形式，該天線基于傳統(tǒng)單級(jí)子天線變形，通過在單級(jí)子輻射體周圍加載短路柱引導(dǎo)輻射電流回到地板的設(shè)計(jì)，極大減縮了單級(jí)子天線的縱向尺寸，該類型天線常常被用在通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊；

2）通過合理的小型化設(shè)計(jì)可以與載體（如飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈等）結(jié)構(gòu)共形。

共孔徑導(dǎo)航天線的模型示意圖如圖1所示，截面圖如圖2所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 天線截面圖

該天線整體為六邊形的腔體結(jié)構(gòu)，分上下兩個(gè)腔體，其中上腔體從下到上排列了兩層衛(wèi)導(dǎo)貼片天線和一層C波段貼片，兩層衛(wèi)導(dǎo)貼片通過雙饋探針饋電，探針底部穿過上層腔體連接下部腔體的微帶饋電網(wǎng)絡(luò)，饋電網(wǎng)絡(luò)采用微帶移相器設(shè)計(jì)，最后通過端口1進(jìn)行饋電，C波段貼片天線通過中心的饋電探針直接連接到端口2，頂部四個(gè)金屬螺釘短路柱直接連接到兩側(cè)腔體中間金屬壁上實(shí)現(xiàn)盤錐天線的短路柱功能。為了保證衛(wèi)導(dǎo)天線兩層印制板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)了四個(gè)環(huán)氧螺釘將天線固定在金屬壁上。選擇介電常數(shù)為10的印制板作為C波段天線輻射單元材料，這可以進(jìn)一步減小尺寸降低對(duì)衛(wèi)導(dǎo)天線輻射的影響，選擇介電常數(shù)為3的低損耗印制板材料作為衛(wèi)導(dǎo)天線輻射單元材料。

2 仿真分析

利用HFSS15軟件對(duì)設(shè)計(jì)的共孔徑天線進(jìn)行仿真分析，首先仿真共孔徑天線的回波損耗（S11），如圖3和圖4所示。

圖3 L波段兩個(gè)頻帶的回波損耗（S11）

圖4 C波段的回波損耗（S11）

從圖3和圖4看出，微波著陸測角功能對(duì)應(yīng)的C波段（5.031 GHz～5.091 GHz）和衛(wèi)導(dǎo)對(duì)應(yīng)的L波段兩個(gè)頻帶（1 575 GHz±1 MHz，1 268 GHz± 10 MHz）在工作頻帶內(nèi)駐波比都小于2，滿足使用要求。

圖5和圖6分別展示了共孔徑天線C波段水平面（俯仰角50°時(shí)）和俯仰面的方向圖。

圖5 C波段水平面方向圖（俯仰角50°時(shí)）

圖6 C波段俯仰面方向圖

圖7和圖8展示了共孔徑天線L波段兩個(gè)衛(wèi)導(dǎo)工作頻帶的中心頻點(diǎn)俯仰面方向圖，圖9展示了軸比。

圖7 1 268 GHz俯仰面左旋、右旋方向圖

圖8 1 575 GHz俯仰面左旋、右旋方向圖

圖9 L波段兩個(gè)衛(wèi)導(dǎo)工作頻帶中心頻點(diǎn)的軸比

從圖5中看出，共孔徑天線在C波段天線達(dá)到全向輻射特性，不圓度最差為3.2 dB，共孔徑天線的增益達(dá)到了5.2 dBi，滿足微波著陸測角天線技術(shù)要求。共孔徑天線在L波段增益達(dá)到了5.8 dB，軸比小于2.1 dB，可以同時(shí)滿足L1和B3雙模衛(wèi)星導(dǎo)航天線技術(shù)要求。

圖10展示了共孔徑天線L波段兩個(gè)衛(wèi)導(dǎo)工作頻帶內(nèi)，L波段端口與C波段端口的隔離度，可見該天線端口隔離度達(dá)到了82 dB以上，C波段輻射單元對(duì)衛(wèi)導(dǎo)信號(hào)幾乎無影響。

圖10 L波段兩個(gè)衛(wèi)導(dǎo)工作頻帶隔離度

圖11～圖13展示了共孔徑天線在不同頻率工作情況下的電流分布，可見不同的工作頻率利用了天線不同的輻射區(qū)域，并且兩者空間上互相補(bǔ)充又不互相影響，提高了天線孔徑的利用效率。

圖11 1 268 GHz輻射體電流分布

圖12 1 575 GHz輻射電流分布

圖13 5.061 GHz輻射電流分布

3 結(jié)論

本文提出一種新的天線孔徑共用的設(shè)計(jì)方法。利用不同天線具有不同輻射區(qū)域的特點(diǎn)，在低頻天線弱輻射區(qū)加載高頻天線輻射區(qū)，兩天線輻射區(qū)域互補(bǔ)的共孔徑思路，一方面提高天線結(jié)構(gòu)空間利用效率，另一方面實(shí)現(xiàn)了輻射方向圖互不影響，保持了天線的輻射性能。通過仿真驗(yàn)證了天線集成后具有穩(wěn)定的遠(yuǎn)場輻射特性，兩個(gè)端口之間的隔離度大于82 dB，避免了相互之間的影響，可以同時(shí)滿足微波著陸測距功能和衛(wèi)導(dǎo)功能使用要求。將兩個(gè)頻段的獨(dú)立天線集成為一個(gè)天線，減少了天線的數(shù)量，對(duì)提高系統(tǒng)集成度，尤其是機(jī)載天線平臺(tái)有一定指導(dǎo)意義。

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Novel Design of Co-Aperture Antenna for Navigational Application

MU Xin

A new common aperture antenna design is presented. Using the characteristics of different antennas with different radiation spaces, the low-frequency antenna’s weak radiation area is loaded with the high-frequency area, and the idea of complementing the two antenna radiation areas realizes a common aperture. Simulation results show stable integration of the far-field radiation characteristics of the antenna, the isolation is more than 82 dB reached. It has a strong significance to reduce the number of airborne antenna platform, improve the integration system.

Co-Aperture Antenna; Navigational Antenna; High Isolation

TN822.4

A

1674-7976-(2022)-03-198-04

2022-04-27。

穆欣（1987.06—），陜西楊凌人，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)載天線、低RCS天線。