一種單脈沖形式的平板天線設計*

張義坡，周 沖

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

平板天線是可用于一些特定頻段的衛星通信地球站，通過地球同步衛星轉發，與中心站建立衛星通信鏈路。1.2 m 口徑以下天線，由于L 頻段波長較大，使用常規拋物面天線形式時輻射饋源尺寸太大導致天線效率較低，且質量也無法滿足適用于車載平臺安裝的使用需求。

基于L 頻段的頻率限制，設計了一種車載平板天線。天線采用平面陣列形式，分為接收和發射兩個頻段，由天線單元、和差器、雙工器和電橋組成。它具有以下優點：

（1）避免了拋物面形式天線饋源尺寸太大對電磁波的遮擋，提高了反射面口面利用率；

（2）具備單脈沖跟蹤功能，可以避免因衛星漂移帶來的天線接收效果的降低；

（3）采用微帶平板陣列形式，可有效降低裝車高度，滿足天線小型化的要求；

（4）平板陣列排布采用旋轉饋電，具有高增益、低軸比的特點。

1 組 成

天線采用平面陣形式，分為接收和發射兩個頻段，由8×8 陣列共64 個天線單元、3 個和差器、1 個雙工器以及1 個電橋組成。

陣列可將到達天線口面的電磁波信號轉化為電信號通過和差器和雙工器送入射頻前端。

天線口徑尺寸為1 100 mm×1 100 mm，根據尺寸綜合考慮選用8×8 的單元組成陣列來滿足增益要求。由于整個陣列要實現和差波束單脈沖跟蹤，故把8×8 的陣列設計成4 塊4×4 的陣列，以實現其功能。為了改善天線陣列的軸比，天線單元陣列排布時采用旋轉饋電方式[1]。

2 單元設計

設計的天線單元工作頻率范圍為1.518～ 1.675 GHz，采用的介質基板是FR4，相對介電常數為4.4，厚度為1.5 mm。根據傳輸線理論可以計算微帶貼片單元的參數，有效介電常數可由施奈德得出的簡單經驗公式計算，即為：

等效輻射縫隙長度ΔL可由哈默斯塔德給出的經驗公式得出，即：

貼片單元的長和寬為：

介質基板的尺寸確定為：

式中：λe為介質中波長；c是光速；f0是中心頻率；h是介質基板的厚度；L、W分別為輻射貼片的長和寬；Lg、Wg分別代表介質基板的長和寬；ΔS、S分別代表微擾的面積和貼片單元的面積；Q是品質因數。按照上述公式可確定單元尺寸。

饋電方式采用雙饋點饋電。天線單元采用雙饋點耦合饋電的圓極化微帶天線[2]，采用雙層貼片設計。天線輻射層采用倒置結構，與饋電層形成雙諧振回路，具有兩個諧振頻率。當兩個諧振頻率適當接近時形成雙峰諧振電路，展寬天線帶寬。雙饋點微帶圓極化天線通過外加的二端口功分器，對貼片上二正交饋點產生兩個振幅相等、相位相差90°的激勵形成圓極化[3]。

仿真優化后天線單元貼片大小為60 mm×60 mm，單元仿真模型如圖1 所示。

圖1 單元仿真模型

3 天線組陣設計

為了滿足高增益要求設計成8×8 的陣列，將8×8 的陣列設計成4 塊4×4 的陣列。4 個單元進行旋轉饋電，再將2×2 的4 個單元由功分網絡合成4×4 的陣列，最后將4 個4×4 的子陣通過3 個和差器、1 個雙工器和1 個90°電橋合成一個8×8的陣列。

陣列天線跟蹤采用四子陣和差單脈沖跟蹤形式。天線子陣1 和子陣2、天線子陣3 和子陣4 分別由兩個一級和差器合成方位和、俯仰和、方位差、俯仰差，通過二級和差器將兩個俯仰和形成總的方位差，兩個俯仰差合成總的俯仰差，總的方位差和俯仰差再通過90°電橋合成一路總差信號。俯仰和和方位和合成總的和信號，再通過雙工器分離發射和接收信號[4]。

天線子陣分塊示意圖如圖2 所示，單脈沖跟蹤網絡示意圖如圖3 所示。

圖2 天線子陣分塊示意

圖3 單脈沖跟蹤網絡

為了降低后端單脈沖跟蹤網絡損耗，將圖3 中3 個和差器、0°同向合成及90°電橋進行一體化設計，并將其集成為一個模塊。通過一體化設計，該模塊可使和路及差路插損≤0.6 dB，路間幅度一致性≤±0.3 dB。

為了進一步降低雙工器的帶內插損，提高它的功率容量，在以下物理結構和加工工藝幾個方面做了改進：

（1）增加腔濾濾波器諧振器末端到上蓋板之間的間距，減小空間電離放電的可能；

（2）增大每個諧振腔的體積，提高單個諧振腔的有載Q值；

（3）提高腔體雙工器的表面光潔度，減小大功率狀態下腔體內壁電流的趨膚效應；

（4）增加腔體雙工器的表面銀層的厚度，減小大功率狀態下腔體內壁表面的電阻率。

通過優化設計和差器、雙工器等器件，可將后端單脈沖跟蹤網絡整體損耗減小至1.1 dB 以內，收發隔離度≥80 dB，通過功率≥300 W。

4 仿真及實測結果

根據技術要求，確定微帶陣列天線的結構尺寸為1 100 mm×1 100 mm×50 mm，使用HFSS 軟件建立仿真模型進行優化設計[5]。天線陣列仿真模型示意圖如圖4 所示。

圖4 天線陣列仿真模型

考慮到和差器件相位的誤差，將±1°的相位帶到天線陣列里計算，使用軟件仿真，得到的天線和差方向圖仿真結果如圖5～圖8 所示。根據各個設計參數進行結構設計及加工裝配，最終天線的測試結果如圖9～圖12 所示。

圖5 天線接收方向圖仿真結果（1.518 GHz）

圖6 天線接收方向圖仿真結果（1.559 GHz）

圖7 天線發射方向圖仿真結果（1.626 5 GHz）

圖8 天線發射方向圖仿真結果（1.675 GHz）

圖9 天線接收方向圖測試結果（1.518 GHz）

圖10 天線接收方向圖測試結果（1.559 GHz）

圖11 天線發射方向圖測試結果（1.626 5 GHz）

圖12 天線發射方向圖測試結果（1.675 GHz）

天線在仿真時未包含天線后端的和差器、雙工器、電纜等設備損耗（約1.5 dB），將其去除后與實測結果進行對比分析，兩者之間的方向圖及旁瓣等數據基本一致。詳細仿真（包含后端設備損耗）與實測結果比較如表1 所示。

表1 天線仿真與實測結果對比

從表1 數據可以看出，實測結果與仿真結果較為一致，受后端電纜損耗及相位影響導致，天線效率有所偏差，但是都能夠滿足工程項目中的天線電氣指標要求。

5 結語

通過對平板陣列天線的分析和計算，最終給出了一種高效率、低副瓣、單脈沖形式的車載平板天線。實測結果表明，設計的天線電性能優良，實測結果與計算結果吻合良好。此設計已經成功應用到某L 頻段車載站中。