一種寬帶低剖面動中通天線單元的設計

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，黃 一

(上海航天電子技術研究所，上海201109)

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一種寬帶低剖面動中通天線單元的設計

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，黃 一

(上海航天電子技術研究所，上海201109)

針對目前移動衛星通信系統中對天線性能、形式的需求，設計了一種寬帶低剖面動中通天線單元。該天線單元由加載金屬柵格的二聯裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T波導功分器組合構成。其中正交模耦合器采用階梯阻抗匹配的方波導與耦合波導相結合的方法作分析設計。仿真結果表明，天線單元的帶寬可達到30%，極化隔離度在-62 dB以下，同時天線單元結構緊湊，剖面較低。

寬帶；低剖面；角錐喇叭天線；正交模耦合器；波導功分器

0 引言

動中通天線是衛星移動通信系統中的重要組成部分，可在車載、船載和機載等移動載體快速移動中實現系統長時間、不間斷的高速率信息傳輸[1]；同時，能滿足應急通信保障系統中高標準、高可靠性的要求，可廣泛應用于新聞采集和應急指揮等領域[2]。

如何采用最小的口徑、最低的剖面，實現最優的天線性能，是動中通天線研究的熱點[3]。目前主要有拋物反射面天線[4]、透鏡天線[5]和平板陣列天線[6]3種結構實現形式。拋物反射面天線的優點是頻帶寬、旁瓣特性好，且設計簡單、易于實現。一般適合應用于體積較大的移動載體(如船舶、大型車輛等)。介質透鏡天線因其在掃描時增益基本不下降的優點，被應用于多頻段、掃描范圍大的中低輪廓動中通天線。與前面2種天線相比，平板陣列天線以其效率高、重量輕及體積小等優點，已成為當前動中通天線的主要發展方向[7]。而陣列單元的設計是平板陣列動中通天線的關鍵[8]，目前國內外文獻對其做詳細介紹的較少[9]。

本文旨在設計一種基于寬帶低剖面的平板動中通天線單元，單元由加載金屬柵格的二聯裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T波導功分器組合構成。其中通過采用階梯阻抗匹配的方波導與耦合波導相結合的方法分析設計寬帶、高隔離度的正交模耦合器。

1 單元結構

本文平板陣列動中通天線單元的結構示意圖如圖1所示。單元由加載金屬柵格的二聯裝角錐喇叭天線、正交模耦合器及H-T功分器組合構成。金屬柵格將角錐喇叭天線等分成2個大小相等的正方形口徑。其中金屬柵格厚度為t，等分的正方形口徑長度為l，角錐喇叭天線口徑長度為h。在垂直于口徑面的方向，角錐喇叭天線的高度為d1，正交模耦合器的高度為d2。圖1中D1和D3為垂直極化饋電端口，D2為水平極化饋電端口。

另外，天線的接收工作頻段為10.7～12.75 GHz，發射工作頻段為13.75～14.5 GHz，其最小工作波長λmin為20.7 mm。

圖1 單元結構示意

2 單元設計

2.1 二聯裝角錐喇叭天線

從圖1可以看出，通過加載金屬柵格，可將角錐喇叭天線的口徑面等分成2個大小相等的正方形口徑，以使水平極化波和垂直極化波能同時在波導中傳播；另外，加載金屬柵格可使電場在正方形口徑面呈等相位分布。

由圖1可知，動中通陣列天線單元間距d可表示為：

d=l+t。

(1)

這里將金屬柵格的厚度t設為1 mm。

另外基于陣列理論[10]，陣列天線遠場方向圖不出現柵瓣時，單元間距d需滿足下式：

(2)

式中，θs為天線的最大掃描角，這里取為0°。結合式(1)和式(2)可知，l=19 mm，h=39 mm。

2.2 正交模耦合器

單元中的正交模耦合器在物理結構上可表示為一個三端口網絡，分別為A端口、B端口及C端口，如圖2所示。它由方波導、耦合波導及階梯阻抗匹配塊構成，其中A端口可同時傳播在方波導中相互正交的TE01與TE10模式，而B端口與C端口分別傳播各自的TE10基模。

圖2 正交模耦合器結構示意

A端口與C端口之間的阻抗匹配可通過階梯阻抗變換實現。在實際匹配網絡的選擇中，需要考慮以下因素：

① 復雜性。如同多數工程解答一樣，滿足所需特性的最簡單設計通常是最可取的。一個較簡單的匹配網絡通常是既便宜又可靠的，而且與較復雜的設計相比有更小的損耗。

② 帶寬。任何類型的匹配網絡理想情況下在一個信號頻率上能給出全匹配。但在許多應用中，我們希望在一個頻帶上與負載匹配。有幾種方法能達到此目的，當然復雜性會相應增加。

③ 實現。根據所用的傳輸線和波導的類型，一種類型的匹配網絡可能比另一類更可取。

④ 可調性。在某些應用中，為了匹配一個可變負載阻抗，匹配網絡可能需要調節。在這方面，某些類型的匹配網絡要比其他類型的匹配網絡更適合需要。

由于天線的工作帶寬為30.2%，常用的1/4波長阻抗變換器無法實現。這里采用在通帶內具有等波紋特性的切比雪夫阻抗變換器[11]，其反射系數可表示為：

Γ(θ)=Ae-jNθTN(secθmcosθ)。

(3)

式中，A為常數，表示通帶內的最大允許反射系數幅值Γm；N為階梯阻抗變換的級數，這里取為3；secθm可表示為：

(4)

式中，ZL為負載阻抗；Z0為特征阻抗。矩形波導的特征阻抗為：

(5)

式中，a和b分別對應波導的寬邊和窄邊。這里C端口選用標準BJ140波導，B端口選用對應的半高波導。

結合式(3)、式(4)及式(5)，經過參數優化后可得到L1=11 mm，L2=5.7 mm，L3=7.8 mm，L4=4 mm。

另外，為使單元級聯組陣后的結構更緊湊，B端口對應的耦合波導在階梯阻抗匹配塊上開槽。

2.3 H-T波導功分器

單元中的H-T波導功分器結構如圖3所示。與常規的H-T波導功分器不同，這里采用半高波導，其波導的寬邊及窄邊尺寸分別為15.8 mm和3.95 mm；另外，通過加載調諧圓柱及長方形縫隙，可調節該功分器的駐波性能。

圖3 H-T波導功分器示意

H-T波導功分器的駐波曲線及端口的插入損耗分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

圖4 H-T波導功分器電性能曲線

由圖4可知，在接收及發射的工作頻帶內，功分器D端口的駐波在1.1以下，且E端口和F端口的插入損耗均在-3.0 dB左右。

3 仿真結果

在前面的基礎上，采用HFSS仿真軟件對該天線單元的電磁特性作分析。其中金屬柵格厚度t=1 mm，等分的正方形口徑長度l=19 mm，角錐喇叭天線口徑長度h=39 mm，角錐喇叭天線的高度d1=23 mm，正交模耦合器的高度d2=27.9 mm。由此可知陣列單元的剖面高度為50.9 mm，小于2.5λmin。

保持上面的幾何結構參數不變，陣列單元D1端口、D2端口和D3端口的仿真駐波曲線如圖5所示。由圖5可知，D1端口和D2端口之間的隔離度在-62 dB以下，2個端口之間的相互影響很小；D1端口和D3端口的駐波曲線一致，且3個端口的駐波值均在1.6以下。

圖5 陣列單元端口駐波曲線

陣列單元端口隔離度曲線如圖6所示。

圖6 陣列單元端口隔離度曲線

通過上述仿真分析，可得到以下結論：

① 天線單元的水平極化端口和垂直極化端口的駐波均在1.6以下，隔離度在-62 dB以下；

② 天線單元的阻抗帶寬可達到30%，且剖面高度小于2.5λmin。

4 結束語

本文通過采用帶金屬柵格的二聯裝角錐喇叭天線、正交模耦合器和H-T功分器，設計了一種寬帶低剖面動中通天線單元。該天線單元的帶寬可達到30%，極化隔離度在-62 dB以下，且天線單元的結構緊湊，剖面較低，可滿足移動衛星通信系統對動中通天線單元的要求。

[1] CAILLOCE Y.A Ka-band Direct Radiating Array Providing Multiple Beams for a Satellite Multimedia Mission[C]∥IEEE Conference on Phased Array Systems and Technology,2000:403-406.

[2] VACCARO S,TIEZZI F,LLORENS D.Ku-band Low Profile Antennas for Mobile Satcom[C]∥Advanced Satellite Mobile Systems,2008:24-28.

[3] 韓國棟，杜 彪，陳如山.衛星移動通信相控陣天線研究現狀與技術展望[J].無線電通信技術，2013,39(4):1-6.

[4] JIANG Jun ,CHEN Qing-wei ,GUO Jian.Simulation Study on Mobile Satellite Communication System with Inverse System Decoupling Theory[J].Journal of System Simulation,2012,24(10):2 203-2 208.

[5] AN J,JUN Z.Analysis of OMT Satellite Communication Terminal Based on PAA[J].Electronic Engineer,2008,34(1):24-27.

[6] OZBAY C,TETER W,HE D.Design and Implementations Challenges in Ka/Ku Dual-band SATCOM-On-The-Move Terminals for Military Applications[C]∥IEEE Military Communications Conference,2006:1-7.

[7] LIN Z Q,JIA W M,YAO M L,et al.Side-lobe Reduction of the Planar Antenna with Multiple Sub-arras Based on Genetic Algorithm[J].Chinese Journal of Radio Science,2011,26(2):369-375.

[8] NIU C F,BIAO D U,HAN G D.Low Profile Antennas of “Satcom on the Move”[J].Journal of China Academy of Electronics and Information Technology,2013,8(4):14-16.

[9] 阮云國，鄧智勇，張 博.機械調整式極化跟蹤器[J].無線電通信技術,2014,40(3):55-57.

[10] 張光義.相控陣雷達系統[M].北京：國防工業出版社,1994.

[11] POZAR D M.微波工程(第3版)[M].北京：電子工業出版社，2009.

鄭文泉 男,(1986—),博士，工程師。主要研究方向：陣列天線、相控陣天線。

馬巖冰 男,(1979—),博士，工程師。主要研究方向：陣列天線。

A Broadband and Low Profile Array Element for “Satcom on the Move” Application

ZHENG Wen-quan,MA Yan-bing,XUE Ling-long,HUANG Yi

(ShanghaiAerospaceElectronicTechnologyInstitute,Shanghai201109,China)

According to the requirements of mobile satellite communications on antenna performance and shape,a broadband and low profile array element of “Satcom on the Move” is presented.The antenna cell can be comprised of two pyramidal horn antennas with metal grids,Orthomode Transducer(OMT)and H-T waveguide power divider.The OMT adopts the idea of square waveguide using stepped impedance matching method combined with a coupling waveguide together.The simulated results indicate that with an optimum design,the bandwidth of the antenna element can be up to 30% with the polarized isolation below -62 dB and the aperture and profile minimized.

broadband;low profile;pyramidal horn antenna;OMT;waveguide power divider

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.14

鄭文泉，馬巖冰，薛玲瓏，等.一種寬帶低剖面動中通天線單元的設計[J].無線電工程,2016,46(12):54-57.

2016-08-18

上海航天技術研究院核攀基金資助項目(ZY2014-023)。

TN82

A

1003-3106(2016)12-0054-04