一種新型雙線極化BD2 B3抗干擾天線設計

張艷梅,李 峰,吳嬋娟

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

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一種新型雙線極化BD2 B3抗干擾天線設計

張艷梅,李 峰,吳嬋娟

(北京自動化控制設備研究所,北京 100074)

設計了一種雙線極化BD2 B3抗干擾天線單元,采用2個幅度相等相位相差90°的饋電點,產生幅度相等相位正交的2個線極化波實現雙線極化,用該天線單元進行抗干擾陣列組合,能夠有效減小天線陣列的體積。

雙線極化;微帶天線;耦合;自由度

0 引言

在導彈等飛行器的設計中,為了提高整體性能,要求作為導航組件的衛星接收天線占用空間盡可能小,同時又要求衛星接收天線具有較高的抗干擾能力。因此,在不影響天線性能的情況下盡可能使天線小型化成為天線設計中需要考慮的重要因素[1]。

普通的右旋圓極化天線陣列僅利用了空域信息,體積龐大,而雙線極化天線陣列不僅可以利用期望信號和干擾信號空間到達角的差異在空域濾波,而且還可以利用其極化狀態的差異在極化域濾波。因此為盡可能縮小占用空間同時具有相同的抗干擾能力,雙極化天線陣列符合彈載平臺小型化的要求[2-4]。

雙極化天線的一個天線單元可以實現對一個干擾的抑制,普通右旋圓極化天線是無法做到這點的。同時,如圖1所示,以四陣元天線陣列為例,常用的右旋圓極化陣元組成的天線陣列的自由度為4-1,即N(天線陣元個數)-1,而雙線極化四陣元陣列天線的自由度為8-1,即2N-1。所以,在相同布陣面積下，雙線極化天線陣列可以顯著提高天線陣列的自由度。也即,當干擾個數同為3時,雙線極化天線單元組陣僅需要圓極化天線單元組陣的一半面積,從很大程度上降低了天線所占的體積,為導彈飛行器等節省空間。

國外多家大學已開展了極化陣列應用于移動基站[5]和手持終端[6]的研究,加拿大多倫多大學電磁研究小組對極化陣列天線在移動通信中的應用進行了研究;美國弗吉尼亞大學科研小組對多極化陣列在GPS移動通信中手持終端進行了研究。該小組開發了單極化和多極化四元陣列,由于極化自由度的增加,解決了GPS小型化問題。也就是說要抗相同數目的干擾,極化陣列的幾何孔徑將縮小50%,具有重要意義,標志著極化陣列已進入系統開發階段。可見,國外對于極化陣列天線在導航抗干擾中已有所應用,并有效地縮減了陣元天線所占體積。國內對于極化陣列在導航抗干擾中的應用剛剛起步,僅有的幾篇相關論文也處于仿真研究階段[7-11]。

本文所設計的雙線極化天線單元, 利用饋電網絡將2個幅度相等相位相差90°的饋電點,同時饋電到輻射貼片上,從而產生幅度相等相位正交的2個線極化波[12],該天線單元剖面低,可集成度高,可以應用到各型抗干擾天線陣列中。

1 天線建模

1.1 微帶天線原理

根據微帶天線理論[13],貼片單元寬度a的尺寸直接影響著微帶天線的方向性函數、輻射阻抗及輸入阻抗。考慮到要兼顧輻射效率和避免產生高次模,通常要求寬度a滿足式(1)的要求

(1)

1.2 天線建模

由式(1)初步計算,天線貼片在介質板的介電常數為εr=6.0的情況下,邊長a=47.2mm,天線結構如圖2所示。頂層為微帶天線輻射貼片,貼片的邊長為a,中間為微波復合介質板,采用國產泰州旺靈的TP-2板材,其介電常數為6.0,厚度為h,最下層為天線的金屬基板。

設計中采用背饋的方式來實現饋電信號的輸出,該方式能夠通過饋電點的位置變化來實現阻抗的匹配調節,信號從背部饋入,可以避免輸入信號與輻射信號的相互干擾,保證天線增益的最大化。按照設計經驗。2個饋電點之間的距離為d=a/6=7.8mm。

2 仿真分析

本研究利用Ansoft公司的HFSS13.0仿真軟件進行建模仿真,本文以BD2 B3為例進行設計,該設計可以衍伸到各導航頻段。輻射貼片的邊長a確定了該天線的一個工作頻點BD2 B3的1268.52MHz,邊長a越大,頻點越向低頻偏移,a越小,頻點越向高頻偏移,可以通過仿真不同的輻射貼片的尺寸來適應不同的導航頻段。通過仿真和優化確定下來的尺寸為a=46.6mm,b=65mm,h=4mm,d=8mm，圖3所示為軟件中的仿真模型。

圖4～圖6所示為2個饋電點中0°饋電點工作時天線的仿真性能曲線。

圖5中,在BD2 B3頻點,該天線的頂向增益為2.58dB,圖6中該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導航天線以及抗干擾天線單元對方向圖的要求。

圖7～圖9所示為2個饋電點中90°饋電點工作時天線的仿真性能曲線。

圖8中,在BD2 B3頻點,該天線的頂向增益為2.30dB,圖9中該天線的上半平面為分布均勻的圓形,為全向天線,滿足導航天線以及抗干擾天線對方向圖的要求。

極化天線作為極化陣列抗干擾衛星接收機的關鍵組成部分,負責接收衛星與干擾極化信號,其雙線極化之間的互耦對與抗干擾指標尤其重要,圖10中,2個線極化之間的耦合為-48.46dB,遠遠優于單一極化產品的陣元之間的耦合。

3 樣機制作與測試

用HFSS 13.0進行仿真分析后,對該模型進行加工。圖11所示為實際加工、裝配出來的雙線極化天線單元。

圖12所示為使用矢量網絡分析儀E5061B測量的該天線實物在BD2 B3頻點的反射系數,由結果可以看出，該天線單元的2個饋點的反射系數在-28dB以下,能夠很好地工作在BD2 B3頻點。

對該雙線極化天線單元進行了室外抗干擾試驗,按照設計思想,單個天線單元可以抗單寬帶干擾。經實際測試,該天線單元旋轉一周對固定方向的單寬帶干擾的抑制能力達到了業內的抗干擾水平。

4 結論

本文設計了一款BD2 B3頻點的雙極化天線單元,通過2個相差90°的饋電正交饋電,產生不同的極化。經過仿真分析,該天線單元在2個不同的極化狀態下頂向增益均大于2.3dB,在BD2 B3頻點的反射系數小于-28dB,且該天線單元的2個線極化之間的耦合也優于兩陣元天線陣中2個右旋圓極化天線單元之間的耦合,性能滿足應用要求。利用該天線單元進行組陣,可以實現抗多個干擾。相較于單一右旋圓極化天線陣列,雙線極化陣列能夠減小陣列面積,為原來的50%。

該設計可以推廣到各導航頻段的設計,用于各頻段的抗干擾陣列中,應用前景十分廣闊。

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A New Design of Dual-linear Polarization Anti-jamming Antenna Element for BD2 B3

ZHANG Yan-mei, LI Feng, WU Chan-juan

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment, Beijing 100074, China)

A design of a dual-linear polarization anti-jamming antenna element for BD2 B3 is presented. The two feed points with equal amplitude phase and 90 degrees phase are used to generate two linear polarized waves with equal amplitude and orthogonal phase in this antenna element. Using this antenna element can reduce the dimension of the antenna array effectively.

Dual-linear polarization; Micro-strip antennas; Coupling; Degrees of freedom

2017-02-10；

2017-03-21

張艷梅(1984-)，女，碩士，工程師，主要從事導航天線方面的研究。E-mail:zymht0033@163.com

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.04.012

U666.12

A

2095-8110(2017)04-0082-05