一种双频嵌套卫星通信天线设计∗

（武汉船舶通信研究所 武汉 430205）

1 引言

卫星通信作为一种重要的通信手段在国内外都被广泛的使用。卫通通信使用卫星作为通信的中继站来转发无线电波从而实现不同地球站之间的通信。卫星通信具有不受地理条件限制、通信容量大、覆盖范围广、组网迅速方便等优点，可以实现在任何时间、地点通信，被认为是建立全球的通讯系统所必需的一种手段［1～4］。因此，卫星通信天线的研究无论在民用还是军用领域都具有十分重要的地位［5］。

螺旋天线［6～7］是一种结构简单的天线能够辐射圆极化电磁波，满足卫星系统对通信信号极化的特性要求［8］，因此被广泛地运用于卫星通信。螺旋天线由金属导体按螺旋状绕制而成的，根据螺旋半径是否渐变，整体形状可以是柱体或椎体。天线的输入端口与同轴电缆内芯相连，另一端口开路或者连接电缆外皮。螺旋天线的辐射特性随着天线结构的变化而变化，其中天线直径对其影响最大，直径与波长的比值决定天线的辐射模式［9］。四臂螺旋天线是由四个单绕螺旋天线以同一螺旋轴向对称绕制而成，天线的特性主要由各单绕螺旋结构决定。螺旋臂的长度为四分之一工作波长的整数倍，当倍数为奇数时螺旋非馈电端开路，当倍数为偶数时螺旋非馈电端短路。四根螺旋臂馈电端的电流幅度相等相邻端口的相位差为90°，四个端口分别为0°、90°、180°、270°。

本文设计了一种应用于小型或紧凑平台的卫星通信天线，该天线具有独立收信与发信的功能，它通过两副天线内外嵌套来实现天线的双频段工作。两副天线均采用四臂螺旋的天线形式，根据各自的工作频段要求分别使用开路与短路的不同工作方式。内部天线工作频率高、工作带宽较宽对0dB波束宽度要求高，因此采用3/4波长开路天线形式，同时使用辐射臂折叠等方式扩展工作带宽、缩小天线尺寸。外部天线工作频率低、工作带宽较窄，采用1/2波长的短路天线形式。同时文本针对收发信天线设计了专用一体化馈电网络，该馈电网络具有功率分配和改变相位的功能，与两副天线纵向安装，具有很高的集成度，将天线总体尺寸进一步的缩小。该天线极化方式为双右旋圆极化，可应用于卫星通信等领域。

2 天线设计

2.1 天线结构设计

本文所设计的双频嵌套卫星通信天线结构如图1。天线的尺寸为Φ140mm×430mm，天线分为辐射部分、馈电网络和支撑骨架三部分，其中天线辐射体包括内层工作频段为ƒ1的发射天线和外层工作频段为ƒ2的接收天线，天线辐射体均采用直径1mm的镀银铜导线沿支撑骨架向上缠绕，馈电网络印制在高相对介电常数的介质板上，可以有效地缩小馈电网络的体积，并与两副天线分别在底部焊接，通过支撑骨架固定安装，支撑骨架则采用FR4介质板，通过卡槽和AB胶搭接而成，起到对天线体和馈电网络的支撑和固定作用。

图1 双频嵌套卫星通信天线结构图

2.2 天线电气设计

使用Ansoft HFSS高频电磁仿真软件对天线进行建模仿真，仿真模型见图2。

图2 双频嵌套卫星通信天线仿真模型图

双频嵌套卫星通信天线采用嵌套式的集成设计，频段较高的发信天线直径较小，因此置于内部，该天线的工作频段较宽，采取折叠的形式增强各个辐射臂之间的耦合以达到展宽天线工作带宽的目的，同时在轴向上能够缩短天线的尺寸，为了保证天线的0dB波束宽度，天线采用四分之三波长的电尺寸。收信天线频段低，套在发信天线外部，为了不影响内部天线的性能，该天线采用二分之一波长的电尺寸，避免了对内部天线的遮挡。

2.3 一体化功分移相馈电网络设计

由于四臂螺旋天线四条辐射臂需要按照90°相位差依次等幅馈电，因此需要给收、发天线单独设计馈电网络。同时，馈电网络需要体积尽量的小，能做成与天线一体化的设计。功分移向馈电网络使用高相对介电常数介质板做基板，可以大幅度地缩小馈电网络所占用的体积。每个馈电网络均采用微带线的形式，分别布置了三个威尔金森功分器［10］，实现了四端口功率平分，中间设计有隔离电阻100Ω，相位差依次90°。两副馈电网络仿真模型图如图3所示。

3 天线仿真计算

3.1 天线单元仿真计算

发信天线和接收天线的驻波比特性仿真结果如图4。

图4 发信天线和收信天线电压驻波比仿真结果图

从图4可以看出，仿真计算时每一副天线都有四个馈电端口，因此得到4条仿真曲线，发信天线的四条辐射臂电压驻波比小于2.5，收信天线的电压驻波比小于2.1。

发信天线和接收天线的0dB波束宽度仿真结果如图5。

图5 发信天线和收信天线0dB波束宽度仿真结果图

通过仿真计算可以看出，发信天线在工作频段内0dB波束宽度大于130°，边缘处的实际增益最小值为0.96dB，接收天线在工作频段内0dB部署宽度大于130°，边缘处的实际增益最小值为1.1dB，达到设计要求能够满足实际通信［11～12］的使用。

3.2 馈电网络仿真计算

发信天线馈电网络电压驻波比、功率分配、馈电端口相位的仿真结果见图6。

图6 发信天线馈电网络电压驻波比、功率分配、端口相位仿真结果图

通过仿真分析可以看出，发信天线馈电网络输入口电压驻波比小于1.04，四端口的功率分配S12、S13、S14、S15均在-6dB～-6.15dB之间，功率分配均匀损耗小。四个端口的中心频点相位差均在90°正负2°以内，相位匹配良好，四端口间隔离度在20dB以上，满足四臂螺旋天线的使用要求。

收信天线馈电网络电压驻波比、功率分配、馈电端口相位的仿真结果见图7。

图7 收信天线馈电网络电压驻波比、功率分配、端口相位仿真结果图

通过仿真分析可以看出，收信天线馈电网络输入口电压驻波比小于1.05，四端口的功率分配S12、S13、S14、S15均在-6dB～-6.13dB之间，功率分配均匀损耗小。四个端口的中心频点相位差均在90°正负1°以内，相位匹配良好，四端口间隔离度在25dB以上，满足四臂螺旋天线的使用要求。

3.3 天线单元与馈电网络集成仿真计算

将上文中仿真设计的天线单元与馈电网络进行电气装配，使用仿真计算软件对天线整体进行模拟。上部分为发信天线和收信天线体，各个天线下端的端口分别与对应的馈电网络端口连接，仿真建模如图8。

图8 天线与馈电网络集成仿真模型图

天线与馈电网络集成后驻波比特性仿真结果如图9。

图9 天线与馈电网络集成的驻波比特性仿真结果图

从图9可以看出，发信天线与馈电网络集成后电压驻波比小于1.43，收信天线与馈电网络集成后电压驻波比小于1.29。由于天线后端匹配了馈电网络，因此收发信天线的驻波比相较于单天线状态有较好的改善。

天线与馈电网络集成后0dB波束宽度仿真结果如图10。

图10 天线与馈电网络集成后0dB波束宽度仿真结果图

发信、收信天线与馈电网络集成后0dB波束宽度仍大于130°，边缘处的实际增益最小值为0.4dB，相较单天线仿真时边缘增益有小幅度的下降，这是由于馈电网络引入了损耗以及相位失配造成的影响，但总体来说影响较小，在可接受的范围内。

4 天线实测结果

新型UHF卫通天线样机在室外反射测试场进行了实际测试，分别测试了天线水平与垂直方向的辐射分量，最后通过Matlab修正反射场的影响，合成得出天线的实际辐射方向图见图11。实际测试的结果见表1～表3。

图11 收发信天线端口间隔离度的仿真结果

表1 新型UHF卫通天线驻波比测试表

表3 新型UHF卫通天线发射天线方向图测试表

5 结语

本设计采用折叠四臂螺旋天线单元形式，利用天线嵌套技术和一体化功分移相馈电网络设计了新型UHF卫通天线，通过计算机仿真设计与样机的实际测试，验证了方案的可行性，仿真性能与实测性能基本吻合，能够满足潜用UHF卫通天线各项指标。