UHF頻段衛(wèi)星通信天線設(shè)計(jì)研究范文

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摘要:本文設(shè)計(jì)了一種新型工作于uhf頻段圓極化機(jī)載衛(wèi)星通信天線,介紹了幾種實(shí)現(xiàn)圓極化的方法,最終選用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子的方式實(shí)現(xiàn)圓極化,通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)90°的相位差,通過(guò)增大振子寬度和在輻射體邊緣引入寄生單元等方法,來(lái)實(shí)現(xiàn)天線的寬頻帶、寬波束、高增益。通過(guò)仿真,最終得到了一款具有高增益、寬波束、低軸比等特點(diǎn)的天線。

關(guān)鍵詞:圓極化；高增益；寬波束

引言

UHF衛(wèi)星通信在軍事應(yīng)用中有許多特有的優(yōu)點(diǎn),強(qiáng)的信號(hào)穿透能力,使其不管在城市、叢林中、還是各種氣候環(huán)境等下均能適用。終端實(shí)用性強(qiáng),UHF終端輕巧而牢固,適合于艦船、車輛、飛機(jī)、單兵背負(fù),甚至手持使用。在軍方作戰(zhàn)的開(kāi)始階段,通常沒(méi)有夠的時(shí)間鋪設(shè)大量的電話線、光纜或架設(shè)大型的天線系統(tǒng),使用機(jī)載、車載、背負(fù)或手持等UHF終端實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)單元間的相互通信是最實(shí)用、簡(jiǎn)便的方法。

1天線設(shè)計(jì)

1.1圓極化天線原理設(shè)計(jì)

一個(gè)圓極化波可以分解為兩個(gè)在空間上和時(shí)間上均正交的等輻線極化波。由此,實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理就是:產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量,并使二者振幅相等,相位相差90°。實(shí)現(xiàn)的方法圓極化天線大致分為三種:微帶天線、螺旋天線、正交對(duì)稱振子。微帶天線加工簡(jiǎn)單,但調(diào)試帶寬較窄且復(fù)雜;螺旋天線的增益高但波束窄;正交振子簡(jiǎn)單實(shí)用,增益和軸比好控制。因此,本天線采用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子實(shí)現(xiàn)天線的圓極化,是最常用的實(shí)現(xiàn)圓極化的方法。

1.2基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型UHF頻段衛(wèi)星通信天線圓極化部分由兩對(duì)正交饋電的對(duì)振子天線組成。工作頻率為344MHz～351.3和381MHz～396.3MHz,因此可以認(rèn)為它的中心工作頻率為370MHz,此時(shí)對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)為:由于細(xì)半波振子天線的帶寬較窄,可以通過(guò)增加振子直徑的方法增大天線帶寬。對(duì)于印刷型的振子即為增大振子的寬度。對(duì)稱振子天線采用非平衡的同軸線饋電時(shí)還需要加入平衡器才能保證天線的方向圖不會(huì)發(fā)生畸變?？紤]到天線的帶寬約為15%,因此只需設(shè)計(jì)一種窄帶的平衡器即可。新型UHF機(jī)載衛(wèi)星通信天線采用帶阻抗補(bǔ)償?shù)蘑笮桶蛡愖鳛檎褡犹炀€的平衡器,其圓極化部分的結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)現(xiàn)圓極化天線的基本原理是產(chǎn)生兩個(gè)空間上正交的線極化電場(chǎng)分量,并使二者振幅相等,相位相差90°;移相器能夠?qū)Σǖ南辔贿M(jìn)行調(diào)整的一種裝置;該天線是通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)90°的相位差。天線極化旋向由天線正交振子相位差決定。由理論分析可知,當(dāng)半波振子I的相位超前半波振子II90°時(shí),天線極化形式為右旋圓極化。

2寬波束和高增益設(shè)計(jì)

為了滿足低緯度衛(wèi)星的通信要求,需要天線具有低仰角高增益的特點(diǎn),這就要求天線在寬波束內(nèi)高增益、低軸比。為了可以將收發(fā)雙頻段都覆蓋,研究采用增大振子的寬度和漸變饋電等方法展寬帶寬,將振子臂進(jìn)行階梯狀加寬來(lái)增加天線的阻抗帶寬。為了增加低仰角±70°的增益,需對(duì)輻射體進(jìn)行改進(jìn),輻射體邊緣引入寄生單元,即在圖1的周邊引入寄生單元,如圖2所示。并在圖2的基礎(chǔ)上設(shè)置輻射體的各個(gè)參數(shù)使輻射效率達(dá)到最優(yōu)。

3仿真結(jié)果

由仿真得到設(shè)計(jì)出的天線電壓駐波比如圖3所示,由圖3可知駐波比在344MHz～351.3MHz和381MHz～396.3MHz兩頻段內(nèi)小于2,電性能良好。由仿真得到的圓極化天線俯仰面方向圖和天線軸比圖,各頻點(diǎn)的結(jié)果繪制成表格,見(jiàn)表1、表2。由表1可知各頻點(diǎn)俯仰角±70°增益最小值為-0.82dBi,滿足方位面360°范圍任意角度上,在俯仰面±70°范圍內(nèi)(以天頂為0°),增益≥-1dBi的要求。天線±70°軸比仿真結(jié)果表2,由表2可知軸比都能滿足以天頂為0°,±70°范圍內(nèi),軸比≤6dB要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型工作于UHF頻段圓極化機(jī)載衛(wèi)星通信天線,介紹了幾種實(shí)現(xiàn)圓極化的方法,最終選用相位相差90°饋電的一對(duì)正交對(duì)稱振子的方式實(shí)現(xiàn)圓極化,通過(guò)移相器來(lái)實(shí)現(xiàn)90°的相位差,通過(guò)增大振子寬度和在輻射體邊緣引入寄生單元等方法,來(lái)實(shí)現(xiàn)寬頻帶、寬波束、高增益。通過(guò)仿真,最終得到了一款具有高增益、寬波束、低軸比等特點(diǎn)的天線。

參考文獻(xiàn)

[3]梁千帆,陳建華.UHF頻段衛(wèi)星通信的現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展[J].中國(guó)新通信,2007(11):26-28.

[4]鄒火兒,韓國(guó)棟.機(jī)載低剖面衛(wèi)通天線的發(fā)展與未來(lái)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2014,36(03):53-56+61.

作者：劉永霞  吳軍軍  袁楠 單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院,