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        衛(wèi)星干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線設(shè)計(jì)

        2021-05-20 06:55:20
        現(xiàn)代導(dǎo)航 2021年2期
        關(guān)鍵詞:方向設(shè)計(jì)

        李 明

        (1 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,西安710068;2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安710068)

        0 引言

        隨著無(wú)人機(jī)開發(fā)與制造成本的降低,無(wú)人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛,民用無(wú)人機(jī)在物流、探測(cè)、攝影和娛樂(lè)表演等領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用[1]。伴隨著無(wú)人機(jī)數(shù)量的激增及低空飛行的逐步開放,來(lái)自無(wú)人機(jī)不可控的危險(xiǎn)機(jī)率大大增加,近年來(lái)無(wú)人機(jī)在機(jī)場(chǎng)及其他場(chǎng)所違規(guī)放飛導(dǎo)致的安全隱患新聞屢見不鮮,甚至還有因?yàn)檫`規(guī)操作或者無(wú)人機(jī)失控導(dǎo)致的安全事故,此類行為對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的治安管理等造成了極大的困擾。因此,開展反無(wú)人技術(shù)研究勢(shì)在必行[2-3]。

        在反無(wú)人機(jī)技術(shù)中,干擾驅(qū)離及誘騙技術(shù)是最具研究意義的技術(shù)。目前無(wú)人機(jī)多采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位,精確的位置、速度及航向信息是無(wú)人機(jī)成功飛行的必備條件。衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收天線口面時(shí)信號(hào)非常微弱,在復(fù)雜的電磁環(huán)境中,其易損性和脆弱性會(huì)輕易表現(xiàn)出來(lái)。因此,通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施干擾可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的干擾驅(qū)離甚至誘騙[4-5]。

        衛(wèi)星導(dǎo)航干擾系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)生成及發(fā)射設(shè)備。天線作為電磁波在空間轉(zhuǎn)換的媒介,是發(fā)射子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一?,F(xiàn)有的轉(zhuǎn)發(fā)式天線多采用微帶天線或螺旋天線形式,其特點(diǎn)為波束范圍寬,增益普遍不高,無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方向高增益高準(zhǔn)確度干擾的應(yīng)用需求[6-7]。本文基于衛(wèi)星導(dǎo)航干擾系統(tǒng)的研制,設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線,該天線可實(shí)現(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星頻點(diǎn)干擾信號(hào)的發(fā)射,同時(shí)具備高增益和低副瓣等特點(diǎn),能在目標(biāo)范圍產(chǎn)生較好的衛(wèi)星信號(hào)干擾效果。

        1 天線設(shè)計(jì)

        衛(wèi)星信號(hào)干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于期望方向產(chǎn)生干擾信號(hào)影響目標(biāo)設(shè)備,而在其它方向不發(fā)射干擾或產(chǎn)生零陷,以免影響其他設(shè)備正常運(yùn)行?;谠撛O(shè)計(jì)理念,我們需要設(shè)計(jì)一副高增益、窄波束和低副瓣的天線。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)極化方式為右旋圓極化,且各系統(tǒng)具備多個(gè)頻點(diǎn),因此該天線還要具備寬帶及右旋圓極化特性才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最優(yōu)輻射。

        天線陣面尺寸為700 mm(長(zhǎng))×300 mm(寬)×70 mm(高),為了實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的設(shè)計(jì)特點(diǎn),天線單元采用具有90°相差的十字交叉振子,天線單元的相差由水平面內(nèi)的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn),并在水平方向布以6 單元的直線陣,采用泰勒綜合的設(shè)計(jì)方案,對(duì)天線陣元施加不同幅度相位的激勵(lì),實(shí)現(xiàn)低副瓣的設(shè)計(jì)要求。

        天線單元采用相互正交的對(duì)稱陣子作為天線的輻射體,同時(shí)給對(duì)稱陣子饋以相位相差90°的激勵(lì),可以輻射出圓極化波。天線陣子示意圖如圖1所示。

        圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

        饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用T 型結(jié)功分器和寬帶移相網(wǎng)絡(luò),T 型結(jié)功分器實(shí)現(xiàn)功率分配,寬帶移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)90°相移。饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

        圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

        對(duì)于天線的饋電結(jié)構(gòu),為滿足在所需頻段內(nèi)良好的軸比特性,本方案采取寬帶相移功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行饋電。饋電網(wǎng)絡(luò)同樣印刷在介質(zhì)板上,其兩個(gè)輸出口與對(duì)稱陣子的兩個(gè)耦合饋電線相連。其輸入口與上級(jí)功率分配器相連,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 功分相移網(wǎng)絡(luò)

        表1給出了幾個(gè)頻點(diǎn)功分相移網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果。

        表1 功分移相網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

        為了實(shí)現(xiàn)在期望方向輻射信號(hào)的特點(diǎn),需對(duì)陣列進(jìn)行低副瓣綜合設(shè)計(jì)。陣列綜合是陣列分析的逆過(guò)程,它是指在已知陣列輻射特性的情況下,通過(guò)研究方法給出天線陣的單元數(shù)、單元的空間排布、單元激勵(lì)幅度和相位所遵循的分布的過(guò)程。通過(guò)調(diào)整零點(diǎn)的位置,降低邊緣副瓣,使得能量損失減小,并且天線陣長(zhǎng)較短,通過(guò)前期設(shè)計(jì)和計(jì)算就可以確定副瓣的個(gè)數(shù)和副瓣衰減的速度,此種綜合的方法稱為泰勒綜合。

        泰勒分布饋電的天線陣方向圖中零點(diǎn)所在位置為:

        其中,

        式中,σ是波瓣展寬因子,SLL為設(shè)計(jì)副瓣電平。當(dāng)n<時(shí),副瓣可稱為近旁瓣,n>時(shí),副瓣為遠(yuǎn)旁瓣。根據(jù)方向圖零點(diǎn)位置可知,當(dāng)n<時(shí)副瓣近似相等,而n>時(shí),副瓣逐漸衰減。

        為實(shí)現(xiàn)低副瓣窄波束的輻射特性,對(duì)于第一級(jí)功分采用T 型結(jié)功分器設(shè)計(jì),第二級(jí)功分采用耦合能量的方式予以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了滿足各個(gè)端口的相位關(guān)系,進(jìn)行了相位補(bǔ)償。

        2 仿真分析

        通過(guò)上述分析,對(duì)天線陣列進(jìn)行了建模仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。

        圖4 天線陣面駐波比

        從圖4我們可以看出陣列天線在帶寬內(nèi)(1.2~1.6 GHz)駐波比小于2,具有良好的阻抗匹配特性。

        天線陣面的輻射方向圖如圖5~圖6所示,輻射增益如表2所示。從結(jié)果可以看出,天線陣面在低頻段(f=1268 MHz)軸向增益為12.5 dBi,旁瓣抑制為 25 dB,前后比為 27 dB;在高頻段(f=1575 MHz)軸向增益為13.5 dBi,旁瓣抑制為25 dB,前后比為29 dB。從仿真結(jié)果看出,天線方向圖軸向增益高,副瓣電平低,具有良好的輻射特性,滿足期望方向輻射增益高,其它方向輻射增益低的設(shè)計(jì)要求。

        圖5 1268 MHz 輻射方向圖

        圖6 1575 MHz 輻射方向圖

        表2 天線輻射特性信息表

        陣列天線的軸比仿真圖如圖7所示。從圖中可以看出,天線在±20°波束范圍內(nèi)軸比小于3 dB,具有良好的圓極化輻射特性。

        圖7 天線各頻點(diǎn)軸比

        3 總結(jié)

        本文設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星干擾信號(hào)發(fā)射天線,通過(guò)設(shè)計(jì)寬帶功分移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其寬帶圓極化特性,采用泰勒綜合方法實(shí)現(xiàn)天線陣面的低副瓣特性。然后對(duì)天線陣面進(jìn)行了仿真優(yōu)化,仿真結(jié)果表明該天線具備期望方向的高增益輻射,其它方向副瓣電平低的優(yōu)良特性。該結(jié)果可應(yīng)用于反無(wú)人系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中,具備廣闊的應(yīng)用前景。

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