馮文文，李 磊，王群杰，鄒永慶

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于國(guó)土面積的限制，為了實(shí)時(shí)同地面站保持通信，中低軌人造地球衛(wèi)星需采用中繼衛(wèi)星對(duì)信息進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。這就要求安裝在衛(wèi)星上的中繼終端天線具備圓極化、寬波束覆蓋等特征。

寬波束天線在工程設(shè)計(jì)中除了考慮電性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)外還需要考慮使用的空間環(huán)境和加工制造工藝水平。常用的寬波束天線結(jié)構(gòu)有微帶貼片天線[1-2]、扼流喇叭天線[3-4]、四臂螺旋天線[5-7]和雙臂螺旋天線[8-9]等，其中微帶貼片天線具有剖面低、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。但是，微帶介質(zhì)材料無法滿足星載環(huán)境下的抗輻照特性。扼流喇叭天線為全金屬結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)雙圓極化，但在低波段尺寸太大而無法使用。四臂螺旋天線可以實(shí)現(xiàn)較好的電性能，但饋電電路復(fù)雜，需要專門設(shè)計(jì)一個(gè)順序饋電的功分電路。這會(huì)增加天線的損耗且降低天線的增益。雙臂螺旋天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、饋電方便、尺寸較小，但工作帶寬較窄，通常需要安裝接收和發(fā)射兩個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)的目的。

本文改進(jìn)了雙臂螺旋天線的結(jié)構(gòu)形式。通過優(yōu)化螺旋天線的尺寸以及饋電同軸線，使天線在收發(fā)兩個(gè)頻點(diǎn)均能滿足增益在±70°波束覆蓋范圍內(nèi)(θ∈[-70°,70°], Φ∈[0,180°])大于1 dB、同時(shí)天線軸比優(yōu)于6 dB及電壓駐波比小于1.3的指標(biāo)要求。

1 寬波束天線分析和設(shè)計(jì)

1.1 雙臂螺旋天線參數(shù)優(yōu)化

螺旋線的幾何特性可以用螺旋直徑D、螺距P和匝數(shù)N等結(jié)構(gòu)參數(shù)描述。螺旋天線的輻射特性跟螺旋線的幾何參數(shù)有關(guān)，在D/λ≤0.18時(shí)其最大輻射方向在垂直于螺旋軸線的平面內(nèi)，其方向性與載電流小環(huán)類似。這種螺旋天線稱為法向模螺旋天線，在D/λ=0.25～0.46時(shí)其最大輻射方向在軸線方向。這種螺旋天線稱為軸向模螺旋天線。

目前，不能通過解析的方法計(jì)算出合適的參數(shù)，可利用電磁仿真軟件優(yōu)化雙臂螺旋天線的螺距、匝數(shù)和半徑，使天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖滿足任務(wù)要求。本文采用4段首尾相接的螺旋作為天線臂，優(yōu)化得到其參數(shù)如表1，雙臂螺旋天線的形狀如圖1。

表1 優(yōu)化后的螺旋參數(shù)

圖1 螺旋初始模型

1.2 饋電巴倫設(shè)計(jì)

為了給雙臂螺旋天線的兩個(gè)螺旋臂平衡饋電，采用同軸裂縫巴倫形式。螺旋天線一個(gè)臂與同軸線外導(dǎo)體連接，另一個(gè)臂通過外導(dǎo)體與內(nèi)導(dǎo)體連接，巴倫長(zhǎng)度取34 mm，裂縫尺寸取 2 mm。為了改善裂縫巴倫的性能，在巴倫頂部采用抗輻照性能較好的聚酰亞胺介質(zhì)進(jìn)行加載。仿真模型如圖2所示。

圖2 天線同軸裂縫巴倫

1.3 天線整體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，在HFSS中建立起雙臂螺旋天線的三維仿真模型，通過優(yōu)化螺旋參數(shù)和巴倫尺寸，得到滿足指標(biāo)要求的天線方向圖；然后保持饋電同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑不變，改變同軸線的內(nèi)導(dǎo)體外徑和電長(zhǎng)度，優(yōu)化天線的電壓駐波比。天線仿真模型如圖3所示。

圖3 天線仿真模型

為了觀察上半空間的天線輻射性能，圖4和圖5給出了收發(fā)頻點(diǎn)下不同Φ切面的輻射方向圖和軸比曲線。仿真結(jié)果顯示，天線在收發(fā)頻點(diǎn)的增益在±70°范圍內(nèi)大于1.2 dB，軸比優(yōu)于6 dB。

圖4 接收頻點(diǎn)天線仿真方向圖和軸比曲線

2 寬波束天線實(shí)物測(cè)試

雙臂螺旋天線采用直徑為1.3 mm的高精度鈹青

圖5 發(fā)射頻點(diǎn)天線仿真方向圖和軸比曲線

銅絲繞制，經(jīng)過淬火成型處理，將其安裝固定在復(fù)合材料制作的支撐結(jié)構(gòu)上。該天線在球面近場(chǎng)暗室架設(shè)并測(cè)試方向圖，如圖6所示。

圖6 天線暗室測(cè)試圖

天線在接收和發(fā)射兩個(gè)頻點(diǎn)下不同Φ切面下實(shí)測(cè)的軸比和方向圖曲線見圖7和圖8。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，該天線工作在接收頻點(diǎn)時(shí)，天線在上半空間±70°范圍內(nèi)，天線增益大于1.25 dB，天線軸比小于5.9 dB；該天線工作在發(fā)射頻點(diǎn)時(shí)，天線在上半空間±70°范圍內(nèi)，天線增益大于1.4 dB，軸比小于5.86 dB,測(cè)試結(jié)果跟仿真設(shè)計(jì)結(jié)果一致。

圖7 接收頻點(diǎn)天線實(shí)測(cè)方向圖和軸比曲線

圖8 發(fā)射頻點(diǎn)天線實(shí)測(cè)方向圖和軸比曲線

圖9給出了天線仿真電壓駐波比和實(shí)測(cè)電壓駐波比曲線。從圖中可以看出，天線在收發(fā)頻點(diǎn)的仿真電壓駐波比小于1.18，天線在收發(fā)頻點(diǎn)的實(shí)測(cè)電壓駐波比優(yōu)于1.2，天線實(shí)測(cè)駐波比和仿真駐波比吻合較好。

圖9 天線電壓駐波比曲線

3 結(jié)束語

本文提出的寬波束天線具有體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，便于加工制造，且能夠覆蓋收發(fā)兩個(gè)工作頻點(diǎn)，節(jié)省了星上的安裝空間。該天線已通過星載環(huán)境試驗(yàn)，并應(yīng)用于某星載天線系統(tǒng)中，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。