于 祥,楊孝東,李明珠
(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇 南京 210014)
衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展日新月異,可以利用的衛(wèi)星導(dǎo)航通信頻段也逐漸增加,對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的設(shè)計(jì)提出了新的要求[1-4]。目前,衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的一個(gè)重要研究方向是在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)多模式、高性能的衛(wèi)星導(dǎo)航通信,因此在衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的設(shè)計(jì)中常采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣以及極化復(fù)用等技術(shù)手段[5-9]。
本文設(shè)計(jì)了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列,包含3 種不同形式的天線:S 頻段寬帶耦合饋電疊成微帶天線陣列,工作頻率為1.98~2.30 GHz;北斗S 頻段交叉偶極子天線陣列,工作中心頻點(diǎn)為2.491 GHz;北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線,工作中心頻點(diǎn)為1.207 GHz 和 1.622 GHz。本文設(shè)計(jì)的天線陣列結(jié)構(gòu)緊湊,布局新穎,降低了天線剖面積,縮小了相控陣天線體積,有效提高了空間利用率。
設(shè)計(jì)的S 頻段寬帶微帶天線單元,如圖1 所示。該天線單元物理尺寸為50 mm×50 mm×14 mm,工作頻率為1.98~2.30 GHz。天線采用雙層矩形貼片和縫隙耦合饋電方式來展寬帶寬,同時(shí)采用雙饋電點(diǎn)的設(shè)計(jì)方式,對(duì)兩個(gè)饋電點(diǎn)分別饋入幅度相等、相位相差±90°的激勵(lì)信號(hào),實(shí)現(xiàn)左、右旋可切換的圓極化天線。天線陣列單元間距為60 mm,小于半波長(zhǎng),通過相控陣天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線陣列低仰角波束掃描的功能[10-12]。
圖1 S 頻段寬帶微帶天線單元
設(shè)計(jì)的北斗S 頻段交叉偶極子天線單元如圖2所示。
圖2 S 頻段交叉偶極子天線單元
該交叉偶極子天線物理尺寸為60 mm×60 mm× 17.5 mm,工作中心頻率為2.491 GHz。天線由兩個(gè)偶極子天線交叉放置,分別饋入幅度相等、相位相差90°的激勵(lì)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射。天線陣列單元間距為60 mm,小于半波長(zhǎng),通過相控陣天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線陣列低仰角波束掃描的功能[13]。
設(shè)計(jì)的北斗B2b/L 雙頻微帶天線,如圖3 所示。該雙頻天線單元尺寸為60 mm×60 mm×10 mm。天線設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙層矩形貼片進(jìn)行上下疊層的形式,由上下層矩形貼片分別產(chǎn)生諧振頻點(diǎn)。上層貼片工作中心頻率為1.622 GHz,下層貼片工作中心頻率為1.207 GHz。每層貼片均有兩個(gè)饋電點(diǎn),分別對(duì)每層貼片的兩個(gè)饋電點(diǎn)饋入幅度相等、相位相差90°的激勵(lì)信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)上下層貼片天線的圓極化輻射。中間月牙形金屬結(jié)構(gòu)件將上下兩層貼片的饋電點(diǎn)電性隔離,增加上下兩層貼片的隔離度。
圖3 北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線
多頻圓極化共口徑天線陣列的整體結(jié)構(gòu),如圖4 所示。天線陣列的整體尺寸為180 mm×180 mm× 17.5 mm,中間單元為北斗B2b/L 雙頻微帶天線,外圍為8 個(gè)S 頻段寬帶微帶天線單元組成的天線陣列。在北斗B2b/L 雙頻微帶天線四周、S 頻段寬帶微帶天線之間,垂直于底面放置4 個(gè)北斗S 頻段交叉偶極子天線單元[14-15]。
圖4 天線陣列整體結(jié)構(gòu)
對(duì)天線陣列中的各類型天線、整體結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行仿真優(yōu)化,最終得出在天線陣列中各類型天線的仿真結(jié)果。
S 頻段寬帶微帶天線的仿真結(jié)果,如圖5 和圖6 所示。單元兩端口在1.97~2.33 GHz 頻帶范圍內(nèi)S11<-10 dB,相對(duì)帶寬達(dá)到15%以上。通過相控陣技術(shù),利用8 個(gè)陣元旋轉(zhuǎn)組陣的方式降低了天線陣列軸比。其中:在2.15 GHz 處的法向合成增益為14.13 dBi;俯仰角為60°時(shí),各個(gè)方位角上合成增益大于8.51 dBi。
圖5 S 頻段寬帶微帶天線單元S11
圖6 2.15 GHz 增益
北斗S 頻段交叉偶極子天線的仿真結(jié)果如圖7和圖8 所示。天線單元在2.38~2.60 GHz 頻帶范圍內(nèi)S11<-10 dB。通過相控陣技術(shù),利用4 個(gè)陣元旋轉(zhuǎn)組陣的方式降低了天線陣軸比。其中,在中心頻點(diǎn)2.491 GHz 的法向合成增益為7.51 dBi。對(duì)陣列進(jìn)行相位掃描,俯仰角為60°時(shí),各個(gè)方位角上合成增益大于5.06 dBi。
圖7 北斗S 頻段交叉偶極子天線單元S11
圖8 2.491 GHz 增益
北斗B2b/L雙頻微帶天線的仿真結(jié)果,如圖9~圖10 所示。上下兩層矩形貼片天線S11<-10 dB 帶寬分別為1.197~1.217 GHz 和1.611~1.633 GHz,在中心頻點(diǎn)1.207 GHz 的法向右旋增益為4.06 dBi,±60°范圍內(nèi)增益大于-0.61 dBi。在中心頻點(diǎn)1.622 GHz 的±60°范圍內(nèi)增益大于0.42 dBi。
圖9 北斗B2b/L 雙頻微帶天線S11
圖10 1.207 GHz 和1.622 GHz 增益
本文設(shè)計(jì)了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列,包含3 種不同形式的天線:S 頻段寬帶微帶天線相控陣列,工作頻率為1.98~2.30 GHz;北斗S 頻段交叉偶極子天線,工作中心頻點(diǎn)為2.491 GHz;北斗B2b/L 雙頻微帶天線,工作中心頻點(diǎn)為1.207 GHz 和1.622 GHz。共口徑天線陣列設(shè)計(jì)中采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣、極化復(fù)用等各種技術(shù)手段,陣列結(jié)構(gòu)緊湊,布局新穎,降低了天線剖面積,縮小了天線陣列體積,提高了空間利用率,實(shí)現(xiàn)了多模式的衛(wèi)星導(dǎo)航通信功能。不僅3 種形式的天線均具備良好的工作帶寬、軸比以及輻射增益,而且通過陣列排布滿足了S 頻段和北斗S 頻段低仰角通信和抗干擾需求。