用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信的多頻共口徑天線陣*

于 祥，楊孝東，李明珠

（南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210014）

0 引言

衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，可以利用的衛(wèi)星導(dǎo)航通信頻段也逐漸增加，對衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的設(shè)計提出了新的要求[1-4]。目前，衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的一個重要研究方向是在較小的尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)多模式、高性能的衛(wèi)星導(dǎo)航通信，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航通信天線的設(shè)計中常采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣以及極化復(fù)用等技術(shù)手段[5-9]。

本文設(shè)計了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列，包含3 種不同形式的天線：S 頻段寬帶耦合饋電疊成微帶天線陣列，工作頻率為1.98～2.30 GHz；北斗S 頻段交叉偶極子天線陣列，工作中心頻點(diǎn)為2.491 GHz；北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線，工作中心頻點(diǎn)為1.207 GHz 和 1.622 GHz。本文設(shè)計的天線陣列結(jié)構(gòu)緊湊，布局新穎，降低了天線剖面積，縮小了相控陣天線體積，有效提高了空間利用率。

1 天線單元設(shè)計

1.1 S 頻段寬帶微帶天線單元

設(shè)計的S 頻段寬帶微帶天線單元，如圖1 所示。該天線單元物理尺寸為50 mm×50 mm×14 mm，工作頻率為1.98～2.30 GHz。天線采用雙層矩形貼片和縫隙耦合饋電方式來展寬帶寬，同時采用雙饋電點(diǎn)的設(shè)計方式，對兩個饋電點(diǎn)分別饋入幅度相等、相位相差±90°的激勵信號，實(shí)現(xiàn)左、右旋可切換的圓極化天線。天線陣列單元間距為60 mm，小于半波長，通過相控陣天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線陣列低仰角波束掃描的功能[10-12]。

圖1 S 頻段寬帶微帶天線單元

1.2 北斗S 頻段交叉偶極子天線單元

設(shè)計的北斗S 頻段交叉偶極子天線單元如圖2所示。

圖2 S 頻段交叉偶極子天線單元

該交叉偶極子天線物理尺寸為60 mm×60 mm× 17.5 mm，工作中心頻率為2.491 GHz。天線由兩個偶極子天線交叉放置，分別饋入幅度相等、相位相差90°的激勵信號，從而實(shí)現(xiàn)天線的圓極化輻射。天線陣列單元間距為60 mm，小于半波長，通過相控陣天線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)天線陣列低仰角波束掃描的功能[13]。

1.3 北斗B2b/L 雙頻微帶天線

設(shè)計的北斗B2b/L 雙頻微帶天線，如圖3 所示。該雙頻天線單元尺寸為60 mm×60 mm×10 mm。天線設(shè)計時采用了雙層矩形貼片進(jìn)行上下疊層的形式，由上下層矩形貼片分別產(chǎn)生諧振頻點(diǎn)。上層貼片工作中心頻率為1.622 GHz，下層貼片工作中心頻率為1.207 GHz。每層貼片均有兩個饋電點(diǎn)，分別對每層貼片的兩個饋電點(diǎn)饋入幅度相等、相位相差90°的激勵信號，從而實(shí)現(xiàn)上下層貼片天線的圓極化輻射。中間月牙形金屬結(jié)構(gòu)件將上下兩層貼片的饋電點(diǎn)電性隔離，增加上下兩層貼片的隔離度。

圖3 北斗B2b/L 雙頻段疊層微帶天線

2 整體結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果

多頻圓極化共口徑天線陣列的整體結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。天線陣列的整體尺寸為180 mm×180 mm× 17.5 mm，中間單元為北斗B2b/L 雙頻微帶天線，外圍為8 個S 頻段寬帶微帶天線單元組成的天線陣列。在北斗B2b/L 雙頻微帶天線四周、S 頻段寬帶微帶天線之間，垂直于底面放置4 個北斗S 頻段交叉偶極子天線單元[14-15]。

圖4 天線陣列整體結(jié)構(gòu)

對天線陣列中的各類型天線、整體結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終得出在天線陣列中各類型天線的仿真結(jié)果。

S 頻段寬帶微帶天線的仿真結(jié)果，如圖5 和圖6 所示。單元兩端口在1.97～2.33 GHz 頻帶范圍內(nèi)S11＜-10 dB，相對帶寬達(dá)到15%以上。通過相控陣技術(shù)，利用8 個陣元旋轉(zhuǎn)組陣的方式降低了天線陣列軸比。其中：在2.15 GHz 處的法向合成增益為14.13 dBi；俯仰角為60°時，各個方位角上合成增益大于8.51 dBi。

圖5 S 頻段寬帶微帶天線單元S11

圖6 2.15 GHz 增益

北斗S 頻段交叉偶極子天線的仿真結(jié)果如圖7和圖8 所示。天線單元在2.38～2.60 GHz 頻帶范圍內(nèi)S11＜-10 dB。通過相控陣技術(shù)，利用4 個陣元旋轉(zhuǎn)組陣的方式降低了天線陣軸比。其中，在中心頻點(diǎn)2.491 GHz 的法向合成增益為7.51 dBi。對陣列進(jìn)行相位掃描，俯仰角為60°時，各個方位角上合成增益大于5.06 dBi。

圖7 北斗S 頻段交叉偶極子天線單元S11

圖8 2.491 GHz 增益

北斗B2b/L雙頻微帶天線的仿真結(jié)果，如圖9～圖10 所示。上下兩層矩形貼片天線S11＜-10 dB 帶寬分別為1.197～1.217 GHz 和1.611～1.633 GHz，在中心頻點(diǎn)1.207 GHz 的法向右旋增益為4.06 dBi，±60°范圍內(nèi)增益大于-0.61 dBi。在中心頻點(diǎn)1.622 GHz 的±60°范圍內(nèi)增益大于0.42 dBi。

圖9 北斗B2b/L 雙頻微帶天線S11

圖10 1.207 GHz 和1.622 GHz 增益

3 結(jié)語

本文設(shè)計了一種用于衛(wèi)星導(dǎo)航通信的多頻圓極化共口徑天線陣列，包含3 種不同形式的天線：S 頻段寬帶微帶天線相控陣列，工作頻率為1.98～2.30 GHz；北斗S 頻段交叉偶極子天線，工作中心頻點(diǎn)為2.491 GHz；北斗B2b/L 雙頻微帶天線，工作中心頻點(diǎn)為1.207 GHz 和1.622 GHz。共口徑天線陣列設(shè)計中采用共口徑、小型化、寬帶、相控陣、極化復(fù)用等各種技術(shù)手段，陣列結(jié)構(gòu)緊湊，布局新穎，降低了天線剖面積，縮小了天線陣列體積，提高了空間利用率，實(shí)現(xiàn)了多模式的衛(wèi)星導(dǎo)航通信功能。不僅3 種形式的天線均具備良好的工作帶寬、軸比以及輻射增益，而且通過陣列排布滿足了S 頻段和北斗S 頻段低仰角通信和抗干擾需求。