X频段对流层散射通信车载碳纤维天线

梅立荣，陈 霜，李 阳 ，郝清涛，霍军旗，张婉萍，郎 磊*

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2．通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081； 3.中国人民解放军96902部队，北京 100020)

0 引言

随着技术的不断发展及通信需求的不断提高，散射通信也正向高频段方向和轻型化的方向发展。天线作为散射通信系统中的重要组成部分，因此被要求能实现轻型化。目前散射通信主流的产品主要是C频段及Ku频段，在X频段的较少[1-3]。在散射通信中使用的天线大多是体积大、重量重的铝制抛物面天线，极大地限制了散射通信设备的轻型化，并且通常采用的是单线极化。因此，为了拓展散射通信的应用站型，构建轻型的散射通信站，具备长时间工作时的极化备份功能，提高通信系统的性能，对X频段散射通信用的双极化轻型天线提出了要求[4-6]。

由于散射通信要求的天线增益、抗风要求一般较高，通常采用铝制栅格抛物面天线[7-8]。但是由于铝材的重量较重，亟需研究一种轻型的材料来代替，其中，碳纤维材料是目前使用最广泛的一种天线材料。另外由于栅格天线都是单一的极化方式，所以，本文研究了双线极化的车载碳纤维天线系统[9-13]。

1 天线反射面设计

为了实现天线的高增益、低旁瓣的特点，设计了双偏置反射面天线，它由主反射面和副反射面组成，如图1所示。主面采用焦点位置为F1的抛物面，副面采用椭圆面作为数学模型，其焦点为F1与F2。采用辐射效率较高的波纹喇叭作为初级辐射器，辐射器的相位中心位于F2点。从图中可以看到，当天线接收到微波信号时，由于主面的汇聚作用，使主面接收到的电磁信号经过主面焦点F1，到达副反射面上，副反射面为椭圆反射面，根据椭圆面的反射特性，通过焦点F1的信号经过副反射面的反射，再次汇聚于焦点F2。喇叭相位中心位于F2点，将副反射面所反射的电磁信号接收[1]。

图1 双偏置反射面天线几何示意图

由以上分析可知，双偏置反射面天线避免了副面对主面的遮挡和馈源及支杆对副面的遮挡，进而改善了次级辐射方向图的近轴旁瓣特性和馈源的输入电压驻波比。为了减小重量，主反射面采用碳纤维面。碳纤维复合材料具有比强度高、比模量高、热膨胀系数低等特点，是制作高精度天线的理想材料。常见的碳纤维复合材料的性能如表1所示[11-13]。

所研制的碳纤维天线面采用碳纤维蒙皮夹铝蜂窝的结构，蒙皮与铝蜂窝夹芯需用胶膜粘接，粘接完成后再进入热压罐进行成型。热压罐成型具有温度场、压力场均匀，制品表面质量好，孔隙率低，力学性能稳定等特点。

表1 几种碳纤维复合材料的性能参数

纤维号密度/g·cm-3拉伸性能/MPa拉伸模量/MPa断裂伸长率/%T3001.742 9002301.7T700S1.764 9002302.1T8001.815 4902941.9T1000G1.826 3702942.2M40J1.804 1204750.8M551.804 0205400.8

为保证天线面具有足够的刚度、强度、电性能、较低的热膨胀系数和较轻的重量，根据设计要求，选择T300碳纤维作为反射体的增强材料。选用的铝蜂窝材料具有重量轻、刚性好、导热性以及成型工艺性好等特点，同时由于铝蜂窝夹芯的导热性能优良，可使反射体温度均匀，制品的热变形小，有利于型面精度的稳定，同时可有效减轻天线面的重量。

采用碳纤维复合材料制备的天线比采用金属铝制备的天线约减重40%，达到了轻量化设计目的[9-13]。

2 馈电网络设计

考虑系统的双线极化工作要求，设计了专用的馈电网络，其原理如图2所示，该馈源网络由馈源、正交模耦合器(OMT)、波导开关、射频前端及功放等组成[14]。

图2 馈电网络原理

馈源接收或发射电磁波信号，正交模耦合器起到极化分离的作用，使整个馈线系统工作具有双线极化功能。波导开关使整个馈线系统工作具有双线极化转换的功能。

2.1 馈源

馈源采用宽带波纹喇叭，具有良好的辐射特性，主要特点是交叉极化电平低、轴对称的辐射方向图以及低的远旁瓣电平等。本设计使用环加载波纹喇叭，通过选择合适的槽深度与喇叭轮廓曲线，使工作于负导纳区的工作频率同样具有较好的工作特性、低的交叉极化等特点，从而大大地拓展了工作带宽。波纹喇叭的计算模型如图3所示，仿真结果如图4所示。

图3 宽带波纹喇叭计算模型

图4 馈源仿真方向图

从图4中可以看出馈源的增益在E面和H面都为17.9 dB，主瓣方向都在一个方向，波束宽度基本一致，旁瓣电平也较低，方向图具有较好的对称性，可以满足馈源对天线反射面的照射要求。

2.2 正交模耦合器

正交模耦合器(OMT)也叫正交模混合器，是用来分离或者混合2个正交极化波的微波器件。OMT计算模型如图5所示，隔离度的仿真结果如图6所示。

图5 OMT计算模型

图6 OMT端口隔离计算结果

从图6中可以看出馈源的2个极化端口的隔离度仿真结果在所要求的频率范围内小于-60 dB，优于系统对隔离度的要求(≥35 dB)，由于仿真中设置的条件都是理想的，所以仿真结果会比实际的测试结果好，所以在模型设计中留了较大的设计余量。

3 天线样机测试

研制的天线样机整体结构如图7所示，包括碳纤维主反射面、馈源、副反射面、转台、支臂以及收藏锁扣等。对天线样机进行测试，得到天线的端口隔离度测试结果如图8所示。

从图中可以看出，天线在要求的工作频段内隔离度都大于40 dB，优于双极化散射通信系统中对极化隔离度的要求。但是与仿真时得到的正交模耦合器的隔离度相比，二者有一定的误差，经过分析认为产生这种误差的原因主要是：① 仿真时设置的条件都是理想条件，与实际的条件有区别；② 仿真时得到的隔离度的指标仅为正交模耦合器的指标，实际样机测试时是天线整体的测试指标；③ 样机加工时，由于存在加工误差也可能是导致仿真与测试存在误差的原因。在后续的研究中，考虑将整机建模进行隔离度仿真，将可能存在加工误差的结构考虑到仿真模型中；加工时尽量选择加工精度高的方案进行加工，以期望减小实测与仿真的误差。

图7 X频段车载散射通信天线整体结构示意图

图8 天线的隔离度测试结果

4 结束语

通过对X频段双极化碳纤维天线研制及测试，得到天线的电气性能指标均能满足设计要求，设计的碳纤维天线既能保证天线面的电气性能又可降低天线的整体重量，是构建轻型散射通信站的关键技术，同时双极化的天线设计还可保证长时间工作时的极化备份功能，具有良好的工程应用前景。