一种新型UHF频段卫星通信天线的设计

刘永霞　吴军军　袁楠

摘要：本文设计了一种新型工作于UHF频段圆极化机载卫星通信天线，介绍了几种实现圆极化的方法，最终选用相位相差90°馈电的一对正交对称振子的方式实现圆极化，通过移相器来实现90°的相位差，通过增大振子宽度和在辐射体边缘引入寄生单元等方法，来实现天线的宽频带、宽波束、高增益。通过仿真，最终得到了一款具有高增益、宽波束、低轴比等特点的天线。

关键词：圆极化;高增益;宽波束

中图分类号：TN927.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0154-02

0 引言

UHF卫星通信在军事应用中有许多特有的优点，强的信号穿透能力，使其不管在城市、丛林中、还是各种气候环境等下均能适用。终端实用性强，UHF终端轻巧而牢固，适合于舰船、车辆、飞机、单兵背负，甚至手持使用。在军方作战的开始阶段，通常没有够的时间铺设大量的电话线、光缆或架设大型的天线系统，使用机载、车载、背负或手持等UHF终端实现作战单元间的相互通信是最实用、简便的方法。

1 天线设计

1.1 圆极化天线原理设计

一个圆极化波可以分解为两个在空间上和时间上均正交的等辐线极化波。由此，实现圆极化天线的基本原理就是：产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°。

实现的方法圆极化天线大致分为三种：微带天线、螺旋天线、正交对称振子。微带天线加工简单，但调试带宽较窄且复杂;螺旋天线的增益高但波束窄;正交振子简单实用，增益和轴比好控制。因此，本天线采用相位相差90°馈电的一对正交对称振子实现天线的圆极化，是最常用的实现圆极化的方法。

1.2 基本结构设计

新型UHF频段卫星通信天线圆极化部分由两对正交馈电的对振子天线组成。工作频率为344MHz～351.3和381MHz～396.3MHz，因此可以认为它的中心工作频率为370MHz，此时对应的半波长为：

由于细半波振子天线的带宽较窄，可以通过增加振子直径的方法增大天线带宽。对于印刷型的振子即为增大振子的宽度。

对称振子天线采用非平衡的同轴线馈电时还需要加入平衡器才能保证天线的方向图不会发生畸变。考虑到天线的带宽约为15%，因此只需设计一种窄带的平衡器即可。新型UHF机载卫星通信天线采用带阻抗补偿的Ⅲ型巴伦作为振子天线的平衡器，其圆極化部分的结构如图1所示。

实现圆极化天线的基本原理是产生两个空间上正交的线极化电场分量，并使二者振幅相等，相位相差90°;移相器能够对波的相位进行调整的一种装置;该天线是通过移相器来实现90°的相位差。

天线极化旋向由天线正交振子相位差决定。由理论分析可知，当半波振子I的相位超前半波振子II 90°时，天线极化形式为右旋圆极化。

2 宽波束和高增益设计

为了满足低纬度卫星的通信要求，需要天线具有低仰角高增益的特点，这就要求天线在宽波束内高增益、低轴比。

为了可以将收发双频段都覆盖，研究采用增大振子的宽度和渐变馈电等方法展宽带宽，将振子臂进行阶梯状加宽来增加天线的阻抗带宽。

为了增加低仰角±70°的增益，需对辐射体进行改进，辐射体边缘引入寄生单元，即在图1的周边引入寄生单元，如图2所示。并在图2的基础上设置辐射体的各个参数使辐射效率达到最优。

3 仿真结果

由仿真得到设计出的天线电压驻波比如图3所示，由图3可知驻波比在344MHz～351.3MHz和381MHz～396.3MHz两频段内小于2，电性能良好。

由仿真得到的圆极化天线俯仰面方向图和天线轴比图，各频点的结果绘制成表格，见表1、表2。

由表1可知各频点俯仰角±70°增益最小值为-0.82dBi，满足方位面360°范围任意角度上，在俯仰面±70°范围内（以天顶为0°），增益≥-1dBi的要求。

天线±70°轴比仿真结果表2，由表2可知轴比都能满足以天顶为0°，±70°范围内，轴比≤6dB要求。

4 结语

本文设计了一种新型工作于UHF频段圆极化机载卫星通信天线，介绍了几种实现圆极化的方法，最终选用相位相差90°馈电的一对正交对称振子的方式实现圆极化，通过移相器来实现90°的相位差，通过增大振子宽度和在辐射体边缘引入寄生单元等方法，来实现宽频带、宽波束、高增益。通过仿真，最终得到了一款具有高增益、宽波束、低轴比等特点的天线。

参考文献

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Design of a New UHF Band Satellite Communication Antenna

LIU Yong-xia，WU Jun-jun，YUAN Nan

（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an  Shaanxi  710089）

Abstract：In this paper， a new type of circularly polarized airborne satellite communication antenna working in UHF band is designed. Several methods to realize circular polarization are introduced. Finally， a pair of orthogonal symmetrical oscillators feed with phase difference of 90 degrees are selected to realize circular polarization. The phase difference of 90 degrees is realized by phase shifter. The broadband， wide beam， high gain antenna is applied by increasing the width of the oscillator and introducing parasitic elements at the edge of the radiator. Through simulated， an antenna with high gain， wide beam and low axis ratio is finally obtained.

Key words：circular polarization; high gain; wide beam