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摘要:針對(duì)地空通信中浮空平臺(tái)常用對(duì)地天線難以對(duì)區(qū)域內(nèi)的用戶形成有效覆蓋的問題，設(shè)計(jì)了一款由數(shù)面高增益、低旁瓣、定向的天線單元依據(jù)波束覆蓋要求形成一定空間結(jié)構(gòu)而組成的新型多波束天線。在對(duì)微帶天線、螺旋天線和喇叭天線進(jìn)行性能仿真比較分析的基礎(chǔ)上，提出選用高增益喇叭天線作為天線陣列單元的方案。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、覆蓋范圍廣、無需判定用戶信號(hào)到達(dá)方向等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:地空通信;多波束天線;微帶天線;螺旋天線;喇叭天線

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］。多波束天線無需復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)裝置，通過開關(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，多波束天線通過快速切換開關(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。

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。

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。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13dBi，而且旁瓣抑制較差，適于采用組陣形式。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15dBi。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的另一個(gè)問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。

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15dBi。選取一種常見的圓極化喇叭單元天線，其主要性能指標(biāo)為:工作頻段:4400～5000MHz;增益:大于15dBi;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3dB以下。

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。

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，通過錐狀雙臂螺旋天線實(shí)現(xiàn)垂直方向的覆蓋。經(jīng)過上述設(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。

4結(jié)束語

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)過程，通過與傳統(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。目前存在的問題是C頻段喇叭天線單元尺寸較大，組陣后天線總重約30kg，整體重量偏大。在此基礎(chǔ)上，今后將繼續(xù)開展天線單元輕量化、小型化的研究。

作者:任鵬 叢惠平 李紅光 單位:中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司 中國(guó)人民解放軍91033部隊(duì) 中國(guó)人民解放軍75841部隊(duì)