X頻段對流層散射通信車載碳纖維天線

梅立榮，陳 霜，李 陽 ，郝清濤，霍軍旗，張婉萍，郎 磊*

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2．通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081； 3.中國人民解放軍96902部隊，北京 100020)

0 引言

隨著技術的不斷發展及通信需求的不斷提高，散射通信也正向高頻段方向和輕型化的方向發展。天線作為散射通信系統中的重要組成部分，因此被要求能實現輕型化。目前散射通信主流的產品主要是C頻段及Ku頻段，在X頻段的較少[1-3]。在散射通信中使用的天線大多是體積大、重量重的鋁制拋物面天線，極大地限制了散射通信設備的輕型化，并且通常采用的是單線極化。因此，為了拓展散射通信的應用站型，構建輕型的散射通信站，具備長時間工作時的極化備份功能，提高通信系統的性能，對X頻段散射通信用的雙極化輕型天線提出了要求[4-6]。

由于散射通信要求的天線增益、抗風要求一般較高，通常采用鋁制柵格拋物面天線[7-8]。但是由于鋁材的重量較重，亟需研究一種輕型的材料來代替，其中，碳纖維材料是目前使用最廣泛的一種天線材料。另外由于柵格天線都是單一的極化方式，所以，本文研究了雙線極化的車載碳纖維天線系統[9-13]。

1 天線反射面設計

為了實現天線的高增益、低旁瓣的特點，設計了雙偏置反射面天線，它由主反射面和副反射面組成，如圖1所示。主面采用焦點位置為F1的拋物面，副面采用橢圓面作為數學模型，其焦點為F1與F2。采用輻射效率較高的波紋喇叭作為初級輻射器，輻射器的相位中心位于F2點。從圖中可以看到，當天線接收到微波信號時，由于主面的匯聚作用，使主面接收到的電磁信號經過主面焦點F1，到達副反射面上，副反射面為橢圓反射面，根據橢圓面的反射特性，通過焦點F1的信號經過副反射面的反射，再次匯聚于焦點F2。喇叭相位中心位于F2點，將副反射面所反射的電磁信號接收[1]。

圖1 雙偏置反射面天線幾何示意圖

由以上分析可知，雙偏置反射面天線避免了副面對主面的遮擋和饋源及支桿對副面的遮擋，進而改善了次級輻射方向圖的近軸旁瓣特性和饋源的輸入電壓駐波比。為了減小重量，主反射面采用碳纖維面。碳纖維復合材料具有比強度高、比模量高、熱膨脹系數低等特點，是制作高精度天線的理想材料。常見的碳纖維復合材料的性能如表1所示[11-13]。

所研制的碳纖維天線面采用碳纖維蒙皮夾鋁蜂窩的結構，蒙皮與鋁蜂窩夾芯需用膠膜粘接，粘接完成后再進入熱壓罐進行成型。熱壓罐成型具有溫度場、壓力場均勻，制品表面質量好，孔隙率低，力學性能穩定等特點。

表1 幾種碳纖維復合材料的性能參數

纖維號密度/g·cm-3拉伸性能/MPa拉伸模量/MPa斷裂伸長率/%T3001.742 9002301.7T700S1.764 9002302.1T8001.815 4902941.9T1000G1.826 3702942.2M40J1.804 1204750.8M551.804 0205400.8

為保證天線面具有足夠的剛度、強度、電性能、較低的熱膨脹系數和較輕的重量，根據設計要求，選擇T300碳纖維作為反射體的增強材料。選用的鋁蜂窩材料具有重量輕、剛性好、導熱性以及成型工藝性好等特點，同時由于鋁蜂窩夾芯的導熱性能優良，可使反射體溫度均勻，制品的熱變形小，有利于型面精度的穩定，同時可有效減輕天線面的重量。

采用碳纖維復合材料制備的天線比采用金屬鋁制備的天線約減重40%，達到了輕量化設計目的[9-13]。

2 饋電網絡設計

考慮系統的雙線極化工作要求，設計了專用的饋電網絡，其原理如圖2所示，該饋源網絡由饋源、正交模耦合器(OMT)、波導開關、射頻前端及功放等組成[14]。

圖2 饋電網絡原理

饋源接收或發射電磁波信號，正交模耦合器起到極化分離的作用，使整個饋線系統工作具有雙線極化功能。波導開關使整個饋線系統工作具有雙線極化轉換的功能。

2.1 饋源

饋源采用寬帶波紋喇叭，具有良好的輻射特性，主要特點是交叉極化電平低、軸對稱的輻射方向圖以及低的遠旁瓣電平等。本設計使用環加載波紋喇叭，通過選擇合適的槽深度與喇叭輪廓曲線，使工作于負導納區的工作頻率同樣具有較好的工作特性、低的交叉極化等特點，從而大大地拓展了工作帶寬。波紋喇叭的計算模型如圖3所示，仿真結果如圖4所示。

圖3 寬帶波紋喇叭計算模型

圖4 饋源仿真方向圖

從圖4中可以看出饋源的增益在E面和H面都為17.9 dB，主瓣方向都在一個方向，波束寬度基本一致，旁瓣電平也較低，方向圖具有較好的對稱性，可以滿足饋源對天線反射面的照射要求。

2.2 正交模耦合器

正交模耦合器(OMT)也叫正交模混合器，是用來分離或者混合2個正交極化波的微波器件。OMT計算模型如圖5所示，隔離度的仿真結果如圖6所示。

圖5 OMT計算模型

圖6 OMT端口隔離計算結果

從圖6中可以看出饋源的2個極化端口的隔離度仿真結果在所要求的頻率范圍內小于-60 dB，優于系統對隔離度的要求(≥35 dB)，由于仿真中設置的條件都是理想的，所以仿真結果會比實際的測試結果好，所以在模型設計中留了較大的設計余量。

3 天線樣機測試

研制的天線樣機整體結構如圖7所示，包括碳纖維主反射面、饋源、副反射面、轉臺、支臂以及收藏鎖扣等。對天線樣機進行測試，得到天線的端口隔離度測試結果如圖8所示。

從圖中可以看出，天線在要求的工作頻段內隔離度都大于40 dB，優于雙極化散射通信系統中對極化隔離度的要求。但是與仿真時得到的正交模耦合器的隔離度相比，二者有一定的誤差，經過分析認為產生這種誤差的原因主要是：① 仿真時設置的條件都是理想條件，與實際的條件有區別；② 仿真時得到的隔離度的指標僅為正交模耦合器的指標，實際樣機測試時是天線整體的測試指標；③ 樣機加工時，由于存在加工誤差也可能是導致仿真與測試存在誤差的原因。在后續的研究中，考慮將整機建模進行隔離度仿真，將可能存在加工誤差的結構考慮到仿真模型中；加工時盡量選擇加工精度高的方案進行加工，以期望減小實測與仿真的誤差。

圖7 X頻段車載散射通信天線整體結構示意圖

圖8 天線的隔離度測試結果

4 結束語

通過對X頻段雙極化碳纖維天線研制及測試，得到天線的電氣性能指標均能滿足設計要求，設計的碳纖維天線既能保證天線面的電氣性能又可降低天線的整體重量，是構建輕型散射通信站的關鍵技術，同時雙極化的天線設計還可保證長時間工作時的極化備份功能，具有良好的工程應用前景。