基于地空通信的多波束天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任 鵬，叢惠平，李紅光

(1.中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)人民解放軍91033部隊(duì)，山東 青島 266071；3.中國(guó)人民解放軍75841部隊(duì)，云南 紅河 654400)

0 引言

地空通信系統(tǒng)依靠多種類型的升空平臺(tái)，可以快速地構(gòu)建覆蓋地面區(qū)域內(nèi)用戶的立體通信網(wǎng)絡(luò)。為了同時(shí)滿足多個(gè)用戶的接入需求，升空平臺(tái)對(duì)地多采用全向天線實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的覆蓋，但全向天線增益較低導(dǎo)致用戶傳輸速率不高，覆蓋范圍和帶寬利用率的平衡是地空通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題。

本文旨在研制一種可以產(chǎn)生多個(gè)子波束的多波束天線，該型天線由天線陣列構(gòu)成，天線陣列包含數(shù)個(gè)天線單元，通過(guò)仿真和精確地計(jì)算后天線單元按照特定的結(jié)構(gòu)組成，相比普通天線它的方向性更強(qiáng)、增益更高[1]。

多波束天線無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制數(shù)個(gè)天線單元實(shí)現(xiàn)陣列的快速掃描，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的特點(diǎn)。不但可以實(shí)現(xiàn)全方位尤其是水平方向的覆蓋，而且較高的天線增益可以有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

1 天線結(jié)構(gòu)

多波束天線外形通常為流線型外觀的柱狀結(jié)構(gòu)或截球面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由多個(gè)高增益、低副瓣和可控波束的天線單元組成[2]，可供選擇的天線單元主要包括微帶天線、螺旋天線和喇叭天線。

球面、圓錐面結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)上，多波束天線舍棄了笨重的機(jī)械伺服對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，其流線型結(jié)構(gòu)可以與升空平臺(tái)共形，尤其對(duì)飛行器的氣動(dòng)性能影響較小。性能上，多波束天線通過(guò)快速切換開(kāi)關(guān)進(jìn)行扇區(qū)掃描，在不同的方向上均可以保持較高的天線增益[3]。

圖1 天線陣列實(shí)物Fig.1 Photograph of antenna arrays

2 天線陣列單元

2.1 微帶天線陣列

微帶天線是在薄介質(zhì)基片上，附上金屬薄層作為接地板，用光刻腐蝕方法制成金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對(duì)貼片饋電構(gòu)成的天線。

微帶天線的優(yōu)點(diǎn)包括：體積小、低剖面、重量輕、具有多種極化方式、結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單而且能和各種升空平臺(tái)共形[4]。

相比于其他天線，微帶天線的缺點(diǎn)是相對(duì)帶寬窄，如諧振式微帶天線。另外，微帶天線單元的損耗偏大、增益偏低、功率容量偏小，使用微帶天線單元組陣并確保天線具有較高的增益，需要設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的功分器電路，容易導(dǎo)致多波束天線整體尺寸變大[5]。

微帶陣列天線(5 GHz)實(shí)物和方向圖仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 微帶陣列天線(5 GHz)實(shí)物和方向圖仿真Fig.2 Photograph and pattern simulation of microstrip antenna(5 GHz)

2.2 螺旋天線陣列

螺旋天線是將金屬導(dǎo)線或者金屬帶繞制成一定尺寸的圓柱或者圓錐螺旋線，一端用同軸線內(nèi)導(dǎo)體饋電，另一端處于自由狀態(tài)或者與同軸線外導(dǎo)體連接[6]。

螺旋天線主要優(yōu)點(diǎn)包括輻射場(chǎng)是圓極化波、最大輻射沿軸線方向、具有寬頻帶特性、輸入阻抗近似純電阻及天線導(dǎo)線上電流按行波分布。

螺旋天線實(shí)物及建模結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺旋天線實(shí)物和建模結(jié)構(gòu)Fig.3 Photograph and modeling of helical antenna

使用數(shù)值仿真軟件對(duì)4.4～5 GHz頻率下工作的螺旋天線模型進(jìn)行初步仿真，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 螺旋天線單元方向圖和增益仿真(4.5 GHz)Fig.4 Pattern and gain simulation of helical antenna(4.5 GHz)

圖5 螺旋天線單元方向圖和增益仿真(5 GHz)Fig.5 Pattern and gain simulation of helical antenna(5 GHz)

圖6 螺旋天線單元駐波比仿真Fig.6 Standing wave ratio simulation of helical antenna

由螺旋天線仿真可以看出，螺旋天線具有較好的駐波特性，但單元增益偏低，只有13 dBi，而且旁瓣抑制較差，適于采用組陣形式。通過(guò)仿真論證，其組陣形式如圖7所示。

圖7 螺旋天線陣列單元正面Fig.7 Front view of helical antenna unit

組陣后輻射方向圖仿真結(jié)果如圖8所示，可以看出最高增益大于15 dBi。

螺旋天線組陣仿真結(jié)果表明：

① 使用螺旋天線單元進(jìn)行波束合成時(shí)，1個(gè)波束陣可選用3個(gè)天線單元組成，可按水平方向布局。螺旋天線旁瓣抑制性能較差，因此天線陣單元的相對(duì)位置以及排列方式對(duì)合成波束的性能影響較大，需要優(yōu)化陣列單元結(jié)構(gòu)并且進(jìn)行精確調(diào)試[7]。

② 為了使螺旋天線單元組陣后實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋能力，僅在水平方向即需要16個(gè)波束陣。1個(gè)波束陣由3個(gè)螺旋天線單元組成，單個(gè)多波束天線總計(jì)需要安裝48個(gè)螺旋單元天線，極易出現(xiàn)天線間互耦，影響天線性能，同時(shí)增加了在有限的空間內(nèi)進(jìn)行天線布陣的難度。天線數(shù)量多會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定系數(shù)。

③ 螺旋天線單元組陣帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是螺旋單元天線數(shù)量較多，需要使用大量的功分器進(jìn)行饋電[8]，在增益降低、損耗增大的同時(shí)加大了制造難度和成本。

圖8 螺旋天線陣列單元仿真Fig.8 Simulation of helical antenna unit

2.3 喇叭天線陣列

口徑天線是可以獲得高增益的一種天線，其中最簡(jiǎn)單的一種是喇叭天線。喇叭天線結(jié)構(gòu)牢固可靠、性能穩(wěn)定、工作頻段寬、方向性強(qiáng)和增益高。

喇叭的功能是在比波導(dǎo)更大的口徑上產(chǎn)生均勻的相位波前，從而獲得較高的定向性[9]。相比微帶天線和螺旋天線，喇叭天線結(jié)構(gòu)尺寸較大、重量較重，需要在有限的空間內(nèi)合理布局，以達(dá)到最佳的方位覆蓋效果。

綜上，喇叭天線的優(yōu)點(diǎn)是天線旁瓣抑制好、天線效率高和天線單元一致性好；缺點(diǎn)是重量和體積較大。

常見(jiàn)的喇叭天線結(jié)構(gòu)形態(tài)包括角錐喇叭天線和圓錐喇叭天線，角錐喇叭天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于進(jìn)行天線陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)為了獲得良好的圓極化特性，選用角錐喇叭天線進(jìn)行多波束天線的設(shè)計(jì)[10]。

按垂直極化進(jìn)行設(shè)計(jì)，喇叭天線單元俯仰面要滿足30°的波束覆蓋，水平方位要滿足360°的波束覆蓋，設(shè)計(jì)一種雙層環(huán)形排列的喇叭天線陣列，每個(gè)喇叭天線單元的水平波束角也設(shè)計(jì)為30°，單個(gè)喇叭天線單元增益約為15 dBi。

選取一種常見(jiàn)的圓極化喇叭單元天線，其主要性能指標(biāo)為：工作頻段：4 400～5 000 MHz；增益：大于15 dBi；波束寬度水平方向和垂直方向均為30°，采用右旋圓極化方式，軸比控制在3 dB以下。喇叭天線的設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 喇叭天線的設(shè)計(jì)Fig.9 Design of horn antenna

3 多波束天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 陣列天線結(jié)構(gòu)分析

多波束天線安裝在升空平臺(tái)上，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)地面半球區(qū)域的覆蓋，天線外形采用截球面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式可實(shí)現(xiàn)水平全方位360°、俯仰-10°～90°范圍內(nèi)的輻射覆蓋。

截球面多波束天線結(jié)構(gòu)主要對(duì)水平360°的范圍進(jìn)行覆蓋，無(wú)法對(duì)俯仰尤其是垂直方向進(jìn)行覆蓋。

錐狀雙臂螺旋天線是一種非頻變螺旋天線，具有重量輕、體積小、頻帶寬、圓極化特性好的特點(diǎn)，同時(shí)在多個(gè)方面均具有寬頻帶特性，包括阻抗特性、方向特性、極化特性都是寬帶的[11]。

因此，在截球面頂端安裝一套錐狀雙臂螺旋天線，如圖10所示。

圖10 錐狀雙臂螺旋天線示意Fig.10 Diagram of helical antenna

3.2 陣列天線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

陣列天線使用2組喇叭天線單元按2層排列安裝實(shí)現(xiàn)水平360°全方位和俯仰30°的覆蓋，通過(guò)錐狀雙臂螺旋天線實(shí)現(xiàn)垂直方向的覆蓋[12-13]，其輻射覆蓋如圖11所示。

圖11 陣列天線半空域輻射覆蓋示意Fig.11 Diagram of radiation space

經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)，陣列天線最終結(jié)構(gòu)形式為：天線外形為半圓球型，共包含16個(gè)單元子陣，每一層的陣元數(shù)量為8個(gè)，分為2層、按圓環(huán)形態(tài)交錯(cuò)布設(shè)，錐狀雙臂螺旋天線放置在陣列天線中心頂端，具體結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 截球面陣列天線結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure diagram of array antenna

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種多波束天線的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)與傳統(tǒng)天線的比較分析可以看出，新型多波束天線采用數(shù)個(gè)點(diǎn)波束通過(guò)空間隔離手段實(shí)現(xiàn)了頻率的復(fù)用，充分利用寶貴的頻譜資源，在提高天線增益、形成窄波束的同時(shí)可使天線結(jié)構(gòu)盡量小型化，極大的增加了應(yīng)用的靈活性。

在經(jīng)過(guò)大量的仿真和理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，研制了基于喇叭天線單元的多波束天線樣機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，其主要指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。目前存在的問(wèn)題是C頻段喇叭天線單元尺寸較大，組陣后天線總重約30 kg，整體重量偏大。在此基礎(chǔ)上，今后將繼續(xù)開(kāi)展天線單元輕量化、小型化的研究。