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(wèi)星通信地球站，通過地球同步衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，與中心站建立衛(wèi)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(guī)拋物面天線形式時輻射饋源尺寸太大導(dǎo)致天線效率較低，且質(zhì)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(shè)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(fā)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(yōu)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(wèi)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(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)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(jù)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(xiàn)和差波束單脈沖跟蹤，故把8×8 的陣列設(shè)計成4 塊4×4 的陣列，以實現(xiàn)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(zhuǎn)饋電方式[1]。

2 單元設(shè)計

設(shè)計的天線單元工作頻率范圍為1.518～ 1.675 GHz，采用的介質(zhì)基板是FR4，相對介電常數(shù)為4.4，厚度為1.5 mm。根據(jù)傳輸線理論可以計算微帶貼片單元的參數(shù)，有效介電常數(shù)可由施奈德得出的簡單經(jīng)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(jīng)驗公式得出，即：

貼片單元的長和寬為：

介質(zhì)基板的尺寸確定為：

式中：λe為介質(zhì)中波長；c是光速；f0是中心頻率；h是介質(zhì)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(zhì)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(zhì)因數(shù)。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(shè)計。天線輻射層采用倒置結(jié)構(gòu)，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(chǎn)生兩個振幅相等、相位相差90°的激勵形成圓極化[3]。

仿真優(yōu)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(shè)計

為了滿足高增益要求設(shè)計成8×8 的陣列，將8×8 的陣列設(shè)計成4 塊4×4 的陣列。4 個單元進行旋轉(zhuǎn)饋電，再將2×2 的4 個單元由功分網(wǎng)絡(luò)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(fā)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)

為了降低后端單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，并將其集成為一個模塊。通過一體化設(shè)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(nèi)插損，提高它的功率容量，在以下物理結(jié)構(gòu)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(tài)下腔體內(nèi)壁電流的趨膚效應(yīng)；

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

通過優(yōu)化設(shè)計和差器、雙工器等器件，可將后端單脈沖跟蹤網(wǎng)絡(luò)整體損耗減小至1.1 dB 以內(nèi)，收發(fā)隔離度≥80 dB，通過功率≥300 W。

4 仿真及實測結(jié)果

根據(jù)技術(shù)要求，確定微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)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(jié)果如圖5～圖8 所示。根據(jù)各個設(shè)計參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工裝配，最終天線的測試結(jié)果如圖9～圖12 所示。

圖5 天線接收方向圖仿真結(jié)果（1.518 GHz）

圖6 天線接收方向圖仿真結(jié)果（1.559 GHz）

圖7 天線發(fā)射方向圖仿真結(jié)果（1.626 5 GHz）

圖8 天線發(fā)射方向圖仿真結(jié)果（1.675 GHz）

圖9 天線接收方向圖測試結(jié)果（1.518 GHz）

圖10 天線接收方向圖測試結(jié)果（1.559 GHz）

圖11 天線發(fā)射方向圖測試結(jié)果（1.626 5 GHz）

圖12 天線發(fā)射方向圖測試結(jié)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(shè)備損耗（約1.5 dB），將其去除后與實測結(jié)果進行對比分析，兩者之間的方向圖及旁瓣等數(shù)據(jù)基本一致。詳細仿真（包含后端設(shè)備損耗）與實測結(jié)果比較如表1 所示。

表1 天線仿真與實測結(jié)果對比

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，實測結(jié)果與仿真結(jié)果較為一致，受后端電纜損耗及相位影響導(dǎo)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(jié)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(jié)果表明，設(shè)計的天線電性能優(yōu)良，實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合良好。此設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用到某L 頻段車載站中。