一种单脉冲形式的平板天线设计*

张义坡，周 冲

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引言

平板天线是可用于一些特定频段的卫星通信地球站，通过地球同步卫星转发，与中心站建立卫星通信链路。1.2 m 口径以下天线，由于L 频段波长较大，使用常规抛物面天线形式时辐射馈源尺寸太大导致天线效率较低，且质量也无法满足适用于车载平台安装的使用需求。

基于L 频段的频率限制，设计了一种车载平板天线。天线采用平面阵列形式，分为接收和发射两个频段，由天线单元、和差器、双工器和电桥组成。它具有以下优点：

（1）避免了抛物面形式天线馈源尺寸太大对电磁波的遮挡，提高了反射面口面利用率；

（2）具备单脉冲跟踪功能，可以避免因卫星漂移带来的天线接收效果的降低；

（3）采用微带平板阵列形式，可有效降低装车高度，满足天线小型化的要求；

（4）平板阵列排布采用旋转馈电，具有高增益、低轴比的特点。

1 组 成

天线采用平面阵形式，分为接收和发射两个频段，由8×8 阵列共64 个天线单元、3 个和差器、1 个双工器以及1 个电桥组成。

阵列可将到达天线口面的电磁波信号转化为电信号通过和差器和双工器送入射频前端。

天线口径尺寸为1 100 mm×1 100 mm，根据尺寸综合考虑选用8×8 的单元组成阵列来满足增益要求。由于整个阵列要实现和差波束单脉冲跟踪，故把8×8 的阵列设计成4 块4×4 的阵列，以实现其功能。为了改善天线阵列的轴比，天线单元阵列排布时采用旋转馈电方式[1]。

2 单元设计

设计的天线单元工作频率范围为1.518～ 1.675 GHz，采用的介质基板是FR4，相对介电常数为4.4，厚度为1.5 mm。根据传输线理论可以计算微带贴片单元的参数，有效介电常数可由施奈德得出的简单经验公式计算，即为：

等效辐射缝隙长度ΔL可由哈默斯塔德给出的经验公式得出，即：

贴片单元的长和宽为：

介质基板的尺寸确定为：

式中：λe为介质中波长；c是光速；f0是中心频率；h是介质基板的厚度；L、W分别为辐射贴片的长和宽；Lg、Wg分别代表介质基板的长和宽；ΔS、S分别代表微扰的面积和贴片单元的面积；Q是品质因数。按照上述公式可确定单元尺寸。

馈电方式采用双馈点馈电。天线单元采用双馈点耦合馈电的圆极化微带天线[2]，采用双层贴片设计。天线辐射层采用倒置结构，与馈电层形成双谐振回路，具有两个谐振频率。当两个谐振频率适当接近时形成双峰谐振电路，展宽天线带宽。双馈点微带圆极化天线通过外加的二端口功分器，对贴片上二正交馈点产生两个振幅相等、相位相差90°的激励形成圆极化[3]。

仿真优化后天线单元贴片大小为60 mm×60 mm，单元仿真模型如图1 所示。

图1 单元仿真模型

3 天线组阵设计

为了满足高增益要求设计成8×8 的阵列，将8×8 的阵列设计成4 块4×4 的阵列。4 个单元进行旋转馈电，再将2×2 的4 个单元由功分网络合成4×4 的阵列，最后将4 个4×4 的子阵通过3 个和差器、1 个双工器和1 个90°电桥合成一个8×8的阵列。

阵列天线跟踪采用四子阵和差单脉冲跟踪形式。天线子阵1 和子阵2、天线子阵3 和子阵4 分别由两个一级和差器合成方位和、俯仰和、方位差、俯仰差，通过二级和差器将两个俯仰和形成总的方位差，两个俯仰差合成总的俯仰差，总的方位差和俯仰差再通过90°电桥合成一路总差信号。俯仰和和方位和合成总的和信号，再通过双工器分离发射和接收信号[4]。

天线子阵分块示意图如图2 所示，单脉冲跟踪网络示意图如图3 所示。

图2 天线子阵分块示意

图3 单脉冲跟踪网络

为了降低后端单脉冲跟踪网络损耗，将图3 中3 个和差器、0°同向合成及90°电桥进行一体化设计，并将其集成为一个模块。通过一体化设计，该模块可使和路及差路插损≤0.6 dB，路间幅度一致性≤±0.3 dB。

为了进一步降低双工器的带内插损，提高它的功率容量，在以下物理结构和加工工艺几个方面做了改进：

（1）增加腔滤滤波器谐振器末端到上盖板之间的间距，减小空间电离放电的可能；

（2）增大每个谐振腔的体积，提高单个谐振腔的有载Q值；

（3）提高腔体双工器的表面光洁度，减小大功率状态下腔体内壁电流的趋肤效应；

（4）增加腔体双工器的表面银层的厚度，减小大功率状态下腔体内壁表面的电阻率。

通过优化设计和差器、双工器等器件，可将后端单脉冲跟踪网络整体损耗减小至1.1 dB 以内，收发隔离度≥80 dB，通过功率≥300 W。

4 仿真及实测结果

根据技术要求，确定微带阵列天线的结构尺寸为1 100 mm×1 100 mm×50 mm，使用HFSS 软件建立仿真模型进行优化设计[5]。天线阵列仿真模型示意图如图4 所示。

图4 天线阵列仿真模型

考虑到和差器件相位的误差，将±1°的相位带到天线阵列里计算，使用软件仿真，得到的天线和差方向图仿真结果如图5～图8 所示。根据各个设计参数进行结构设计及加工装配，最终天线的测试结果如图9～图12 所示。

图5 天线接收方向图仿真结果（1.518 GHz）

图6 天线接收方向图仿真结果（1.559 GHz）

图7 天线发射方向图仿真结果（1.626 5 GHz）

图8 天线发射方向图仿真结果（1.675 GHz）

图9 天线接收方向图测试结果（1.518 GHz）

图10 天线接收方向图测试结果（1.559 GHz）

图11 天线发射方向图测试结果（1.626 5 GHz）

图12 天线发射方向图测试结果（1.675 GHz）

天线在仿真时未包含天线后端的和差器、双工器、电缆等设备损耗（约1.5 dB），将其去除后与实测结果进行对比分析，两者之间的方向图及旁瓣等数据基本一致。详细仿真（包含后端设备损耗）与实测结果比较如表1 所示。

表1 天线仿真与实测结果对比

从表1 数据可以看出，实测结果与仿真结果较为一致，受后端电缆损耗及相位影响导致，天线效率有所偏差，但是都能够满足工程项目中的天线电气指标要求。

5 结语

通过对平板阵列天线的分析和计算，最终给出了一种高效率、低副瓣、单脉冲形式的车载平板天线。实测结果表明，设计的天线电性能优良，实测结果与计算结果吻合良好。此设计已经成功应用到某L 频段车载站中。