星载宽波束圆极化天线设计

冯文文，李 磊，王群杰，邹永庆

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引 言

由于国土面积的限制，为了实时同地面站保持通信，中低轨人造地球卫星需采用中继卫星对信息进行中继转发。这就要求安装在卫星上的中继终端天线具备圆极化、宽波束覆盖等特征。

宽波束天线在工程设计中除了考虑电性能指标的实现外还需要考虑使用的空间环境和加工制造工艺水平。常用的宽波束天线结构有微带贴片天线[1-2]、扼流喇叭天线[3-4]、四臂螺旋天线[5-7]和双臂螺旋天线[8-9]等，其中微带贴片天线具有剖面低、质量轻等优点。但是，微带介质材料无法满足星载环境下的抗辐照特性。扼流喇叭天线为全金属结构，能够实现双圆极化，但在低波段尺寸太大而无法使用。四臂螺旋天线可以实现较好的电性能，但馈电电路复杂，需要专门设计一个顺序馈电的功分电路。这会增加天线的损耗且降低天线的增益。双臂螺旋天线结构简单、馈电方便、尺寸较小，但工作带宽较窄，通常需要安装接收和发射两个天线来实现同时收发的目的。

本文改进了双臂螺旋天线的结构形式。通过优化螺旋天线的尺寸以及馈电同轴线，使天线在收发两个频点均能满足增益在±70°波束覆盖范围内(θ∈[-70°,70°], Φ∈[0,180°])大于1 dB、同时天线轴比优于6 dB及电压驻波比小于1.3的指标要求。

1 宽波束天线分析和设计

1.1 双臂螺旋天线参数优化

螺旋线的几何特性可以用螺旋直径D、螺距P和匝数N等结构参数描述。螺旋天线的辐射特性跟螺旋线的几何参数有关，在D/λ≤0.18时其最大辐射方向在垂直于螺旋轴线的平面内，其方向性与载电流小环类似。这种螺旋天线称为法向模螺旋天线，在D/λ=0.25～0.46时其最大辐射方向在轴线方向。这种螺旋天线称为轴向模螺旋天线。

目前，不能通过解析的方法计算出合适的参数，可利用电磁仿真软件优化双臂螺旋天线的螺距、匝数和半径，使天线的远场方向图满足任务要求。本文采用4段首尾相接的螺旋作为天线臂，优化得到其参数如表1，双臂螺旋天线的形状如图1。

表1 优化后的螺旋参数

图1 螺旋初始模型

1.2 馈电巴伦设计

为了给双臂螺旋天线的两个螺旋臂平衡馈电，采用同轴裂缝巴伦形式。螺旋天线一个臂与同轴线外导体连接，另一个臂通过外导体与内导体连接，巴伦长度取34 mm，裂缝尺寸取 2 mm。为了改善裂缝巴伦的性能，在巴伦顶部采用抗辐照性能较好的聚酰亚胺介质进行加载。仿真模型如图2所示。

图2 天线同轴裂缝巴伦

1.3 天线整体设计

根据以上分析，在HFSS中建立起双臂螺旋天线的三维仿真模型，通过优化螺旋参数和巴伦尺寸，得到满足指标要求的天线方向图；然后保持馈电同轴线外导体内径不变，改变同轴线的内导体外径和电长度，优化天线的电压驻波比。天线仿真模型如图3所示。

图3 天线仿真模型

为了观察上半空间的天线辐射性能，图4和图5给出了收发频点下不同Φ切面的辐射方向图和轴比曲线。仿真结果显示，天线在收发频点的增益在±70°范围内大于1.2 dB，轴比优于6 dB。

图4 接收频点天线仿真方向图和轴比曲线

2 宽波束天线实物测试

双臂螺旋天线采用直径为1.3 mm的高精度铍青

图5 发射频点天线仿真方向图和轴比曲线

铜丝绕制，经过淬火成型处理，将其安装固定在复合材料制作的支撑结构上。该天线在球面近场暗室架设并测试方向图，如图6所示。

图6 天线暗室测试图

天线在接收和发射两个频点下不同Φ切面下实测的轴比和方向图曲线见图7和图8。实测结果显示，该天线工作在接收频点时，天线在上半空间±70°范围内，天线增益大于1.25 dB，天线轴比小于5.9 dB；该天线工作在发射频点时，天线在上半空间±70°范围内，天线增益大于1.4 dB，轴比小于5.86 dB,测试结果跟仿真设计结果一致。

图7 接收频点天线实测方向图和轴比曲线

图8 发射频点天线实测方向图和轴比曲线

图9给出了天线仿真电压驻波比和实测电压驻波比曲线。从图中可以看出，天线在收发频点的仿真电压驻波比小于1.18，天线在收发频点的实测电压驻波比优于1.2，天线实测驻波比和仿真驻波比吻合较好。

图9 天线电压驻波比曲线

3 结束语

本文提出的宽波束天线具有体积小、质量轻等特点，便于加工制造，且能够覆盖收发两个工作频点，节省了星上的安装空间。该天线已通过星载环境试验，并应用于某星载天线系统中，具有很高的工程应用价值。