基于地空通信的多波束天线设计与实现

任 鹏，丛惠平，李红光

(1.中华通信系统有限责任公司，河北 石家庄 050081；2.中国人民解放军91033部队，山东 青岛 266071；3.中国人民解放军75841部队，云南 红河 654400)

0 引言

地空通信系统依靠多种类型的升空平台，可以快速地构建覆盖地面区域内用户的立体通信网络。为了同时满足多个用户的接入需求，升空平台对地多采用全向天线实现较大区域的覆盖，但全向天线增益较低导致用户传输速率不高，覆盖范围和带宽利用率的平衡是地空通信系统设计中的难题。

本文旨在研制一种可以产生多个子波束的多波束天线，该型天线由天线阵列构成，天线阵列包含数个天线单元，通过仿真和精确地计算后天线单元按照特定的结构组成，相比普通天线它的方向性更强、增益更高[1]。

多波束天线无需复杂的机械传动装置，通过开关控制数个天线单元实现阵列的快速扫描，具有结构简单、可靠的特点。不但可以实现全方位尤其是水平方向的覆盖，而且较高的天线增益可以有效提升网络吞吐量。

1 天线结构

多波束天线外形通常为流线型外观的柱状结构或截球面结构，内部由多个高增益、低副瓣和可控波束的天线单元组成[2]，可供选择的天线单元主要包括微带天线、螺旋天线和喇叭天线。

球面、圆锥面结构具有显著优势。结构上，多波束天线舍弃了笨重的机械伺服对准机构，其流线型结构可以与升空平台共形，尤其对飞行器的气动性能影响较小。性能上，多波束天线通过快速切换开关进行扇区扫描，在不同的方向上均可以保持较高的天线增益[3]。

图1 天线阵列实物Fig.1 Photograph of antenna arrays

2 天线阵列单元

2.1 微带天线阵列

微带天线是在薄介质基片上，附上金属薄层作为接地板，用光刻腐蚀方法制成金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线。

微带天线的优点包括：体积小、低剖面、重量轻、具有多种极化方式、结构安装简单而且能和各种升空平台共形[4]。

相比于其他天线，微带天线的缺点是相对带宽窄，如谐振式微带天线。另外，微带天线单元的损耗偏大、增益偏低、功率容量偏小，使用微带天线单元组阵并确保天线具有较高的增益，需要设计较为复杂的功分器电路，容易导致多波束天线整体尺寸变大[5]。

微带阵列天线(5 GHz)实物和方向图仿真结果如图2所示。

图2 微带阵列天线(5 GHz)实物和方向图仿真Fig.2 Photograph and pattern simulation of microstrip antenna(5 GHz)

2.2 螺旋天线阵列

螺旋天线是将金属导线或者金属带绕制成一定尺寸的圆柱或者圆锥螺旋线，一端用同轴线内导体馈电，另一端处于自由状态或者与同轴线外导体连接[6]。

螺旋天线主要优点包括辐射场是圆极化波、最大辐射沿轴线方向、具有宽频带特性、输入阻抗近似纯电阻及天线导线上电流按行波分布。

螺旋天线实物及建模结构如图3所示。

图3 螺旋天线实物和建模结构Fig.3 Photograph and modeling of helical antenna

使用数值仿真软件对4.4～5 GHz频率下工作的螺旋天线模型进行初步仿真，结果如图4～图6所示。

图4 螺旋天线单元方向图和增益仿真(4.5 GHz)Fig.4 Pattern and gain simulation of helical antenna(4.5 GHz)

图5 螺旋天线单元方向图和增益仿真(5 GHz)Fig.5 Pattern and gain simulation of helical antenna(5 GHz)

图6 螺旋天线单元驻波比仿真Fig.6 Standing wave ratio simulation of helical antenna

由螺旋天线仿真可以看出，螺旋天线具有较好的驻波特性，但单元增益偏低，只有13 dBi，而且旁瓣抑制较差，适于采用组阵形式。通过仿真论证，其组阵形式如图7所示。

图7 螺旋天线阵列单元正面Fig.7 Front view of helical antenna unit

组阵后辐射方向图仿真结果如图8所示，可以看出最高增益大于15 dBi。

螺旋天线组阵仿真结果表明：

① 使用螺旋天线单元进行波束合成时，1个波束阵可选用3个天线单元组成，可按水平方向布局。螺旋天线旁瓣抑制性能较差，因此天线阵单元的相对位置以及排列方式对合成波束的性能影响较大，需要优化阵列单元结构并且进行精确调试[7]。

② 为了使螺旋天线单元组阵后实现全方位覆盖能力，仅在水平方向即需要16个波束阵。1个波束阵由3个螺旋天线单元组成，单个多波束天线总计需要安装48个螺旋单元天线，极易出现天线间互耦，影响天线性能，同时增加了在有限的空间内进行天线布阵的难度。天线数量多会降低系统稳定系数。

③ 螺旋天线单元组阵带来的另一个问题是螺旋单元天线数量较多，需要使用大量的功分器进行馈电[8]，在增益降低、损耗增大的同时加大了制造难度和成本。

图8 螺旋天线阵列单元仿真Fig.8 Simulation of helical antenna unit

2.3 喇叭天线阵列

口径天线是可以获得高增益的一种天线，其中最简单的一种是喇叭天线。喇叭天线结构牢固可靠、性能稳定、工作频段宽、方向性强和增益高。

喇叭的功能是在比波导更大的口径上产生均匀的相位波前，从而获得较高的定向性[9]。相比微带天线和螺旋天线，喇叭天线结构尺寸较大、重量较重，需要在有限的空间内合理布局，以达到最佳的方位覆盖效果。

综上，喇叭天线的优点是天线旁瓣抑制好、天线效率高和天线单元一致性好；缺点是重量和体积较大。

常见的喇叭天线结构形态包括角锥喇叭天线和圆锥喇叭天线，角锥喇叭天线结构简单便于进行天线阵列结构设计，同时为了获得良好的圆极化特性，选用角锥喇叭天线进行多波束天线的设计[10]。

按垂直极化进行设计，喇叭天线单元俯仰面要满足30°的波束覆盖，水平方位要满足360°的波束覆盖，设计一种双层环形排列的喇叭天线阵列，每个喇叭天线单元的水平波束角也设计为30°，单个喇叭天线单元增益约为15 dBi。

选取一种常见的圆极化喇叭单元天线，其主要性能指标为：工作频段：4 400～5 000 MHz；增益：大于15 dBi；波束宽度水平方向和垂直方向均为30°，采用右旋圆极化方式，轴比控制在3 dB以下。喇叭天线的设计如图9所示。

图9 喇叭天线的设计Fig.9 Design of horn antenna

3 多波束天线结构设计

3.1 阵列天线结构分析

多波束天线安装在升空平台上，为了实现对地面半球区域的覆盖，天线外形采用截球面结构，该结构形式可实现水平全方位360°、俯仰-10°～90°范围内的辐射覆盖。

截球面多波束天线结构主要对水平360°的范围进行覆盖，无法对俯仰尤其是垂直方向进行覆盖。

锥状双臂螺旋天线是一种非频变螺旋天线，具有重量轻、体积小、频带宽、圆极化特性好的特点，同时在多个方面均具有宽频带特性，包括阻抗特性、方向特性、极化特性都是宽带的[11]。

因此，在截球面顶端安装一套锥状双臂螺旋天线，如图10所示。

图10 锥状双臂螺旋天线示意Fig.10 Diagram of helical antenna

3.2 阵列天线结构实现

阵列天线使用2组喇叭天线单元按2层排列安装实现水平360°全方位和俯仰30°的覆盖，通过锥状双臂螺旋天线实现垂直方向的覆盖[12-13]，其辐射覆盖如图11所示。

图11 阵列天线半空域辐射覆盖示意Fig.11 Diagram of radiation space

经过上述设计，阵列天线最终结构形式为：天线外形为半圆球型，共包含16个单元子阵，每一层的阵元数量为8个，分为2层、按圆环形态交错布设，锥状双臂螺旋天线放置在阵列天线中心顶端，具体结构如图12所示。

图12 截球面阵列天线结构Fig.12 Structure diagram of array antenna

4 结束语

本文介绍了一种多波束天线的整体结构设计方法和实现过程，通过与传统天线的比较分析可以看出，新型多波束天线采用数个点波束通过空间隔离手段实现了频率的复用，充分利用宝贵的频谱资源，在提高天线增益、形成窄波束的同时可使天线结构尽量小型化，极大的增加了应用的灵活性。

在经过大量的仿真和理论计算的基础上，研制了基于喇叭天线单元的多波束天线样机，对其进行了性能测试，其主要指标满足设计要求。目前存在的问题是C频段喇叭天线单元尺寸较大，组阵后天线总重约30 kg，整体重量偏大。在此基础上，今后将继续开展天线单元轻量化、小型化的研究。