用于卫星导航通信的多频共口径天线阵*

于 祥，杨孝东，李明珠

（南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210014）

0 引言

卫星通信技术的发展日新月异，可以利用的卫星导航通信频段也逐渐增加，对卫星导航通信天线的设计提出了新的要求[1-4]。目前，卫星导航通信天线的一个重要研究方向是在较小的尺寸内实现多模式、高性能的卫星导航通信，因此在卫星导航通信天线的设计中常采用共口径、小型化、宽带、相控阵以及极化复用等技术手段[5-9]。

本文设计了一种用于卫星导航通信的多频圆极化共口径天线阵列，包含3 种不同形式的天线：S 频段宽带耦合馈电叠成微带天线阵列，工作频率为1.98～2.30 GHz；北斗S 频段交叉偶极子天线阵列，工作中心频点为2.491 GHz；北斗B2b/L 双频段叠层微带天线，工作中心频点为1.207 GHz 和 1.622 GHz。本文设计的天线阵列结构紧凑，布局新颖，降低了天线剖面积，缩小了相控阵天线体积，有效提高了空间利用率。

1 天线单元设计

1.1 S 频段宽带微带天线单元

设计的S 频段宽带微带天线单元，如图1 所示。该天线单元物理尺寸为50 mm×50 mm×14 mm，工作频率为1.98～2.30 GHz。天线采用双层矩形贴片和缝隙耦合馈电方式来展宽带宽，同时采用双馈电点的设计方式，对两个馈电点分别馈入幅度相等、相位相差±90°的激励信号，实现左、右旋可切换的圆极化天线。天线阵列单元间距为60 mm，小于半波长，通过相控阵天线技术可实现天线阵列低仰角波束扫描的功能[10-12]。

图1 S 频段宽带微带天线单元

1.2 北斗S 频段交叉偶极子天线单元

设计的北斗S 频段交叉偶极子天线单元如图2所示。

图2 S 频段交叉偶极子天线单元

该交叉偶极子天线物理尺寸为60 mm×60 mm× 17.5 mm，工作中心频率为2.491 GHz。天线由两个偶极子天线交叉放置，分别馈入幅度相等、相位相差90°的激励信号，从而实现天线的圆极化辐射。天线阵列单元间距为60 mm，小于半波长，通过相控阵天线技术可实现天线阵列低仰角波束扫描的功能[13]。

1.3 北斗B2b/L 双频微带天线

设计的北斗B2b/L 双频微带天线，如图3 所示。该双频天线单元尺寸为60 mm×60 mm×10 mm。天线设计时采用了双层矩形贴片进行上下叠层的形式，由上下层矩形贴片分别产生谐振频点。上层贴片工作中心频率为1.622 GHz，下层贴片工作中心频率为1.207 GHz。每层贴片均有两个馈电点，分别对每层贴片的两个馈电点馈入幅度相等、相位相差90°的激励信号，从而实现上下层贴片天线的圆极化辐射。中间月牙形金属结构件将上下两层贴片的馈电点电性隔离，增加上下两层贴片的隔离度。

图3 北斗B2b/L 双频段叠层微带天线

2 整体结构和仿真结果

多频圆极化共口径天线阵列的整体结构，如图4 所示。天线阵列的整体尺寸为180 mm×180 mm× 17.5 mm，中间单元为北斗B2b/L 双频微带天线，外围为8 个S 频段宽带微带天线单元组成的天线阵列。在北斗B2b/L 双频微带天线四周、S 频段宽带微带天线之间，垂直于底面放置4 个北斗S 频段交叉偶极子天线单元[14-15]。

图4 天线阵列整体结构

对天线阵列中的各类型天线、整体结构和布局进行仿真优化，最终得出在天线阵列中各类型天线的仿真结果。

S 频段宽带微带天线的仿真结果，如图5 和图6 所示。单元两端口在1.97～2.33 GHz 频带范围内S11＜-10 dB，相对带宽达到15%以上。通过相控阵技术，利用8 个阵元旋转组阵的方式降低了天线阵列轴比。其中：在2.15 GHz 处的法向合成增益为14.13 dBi；俯仰角为60°时，各个方位角上合成增益大于8.51 dBi。

图5 S 频段宽带微带天线单元S11

图6 2.15 GHz 增益

北斗S 频段交叉偶极子天线的仿真结果如图7和图8 所示。天线单元在2.38～2.60 GHz 频带范围内S11＜-10 dB。通过相控阵技术，利用4 个阵元旋转组阵的方式降低了天线阵轴比。其中，在中心频点2.491 GHz 的法向合成增益为7.51 dBi。对阵列进行相位扫描，俯仰角为60°时，各个方位角上合成增益大于5.06 dBi。

图7 北斗S 频段交叉偶极子天线单元S11

图8 2.491 GHz 增益

北斗B2b/L双频微带天线的仿真结果，如图9～图10 所示。上下两层矩形贴片天线S11＜-10 dB 带宽分别为1.197～1.217 GHz 和1.611～1.633 GHz，在中心频点1.207 GHz 的法向右旋增益为4.06 dBi，±60°范围内增益大于-0.61 dBi。在中心频点1.622 GHz 的±60°范围内增益大于0.42 dBi。

图9 北斗B2b/L 双频微带天线S11

图10 1.207 GHz 和1.622 GHz 增益

3 结语

本文设计了一种用于卫星导航通信的多频圆极化共口径天线阵列，包含3 种不同形式的天线：S 频段宽带微带天线相控阵列，工作频率为1.98～2.30 GHz；北斗S 频段交叉偶极子天线，工作中心频点为2.491 GHz；北斗B2b/L 双频微带天线，工作中心频点为1.207 GHz 和1.622 GHz。共口径天线阵列设计中采用共口径、小型化、宽带、相控阵、极化复用等各种技术手段，阵列结构紧凑，布局新颖，降低了天线剖面积，缩小了天线阵列体积，提高了空间利用率，实现了多模式的卫星导航通信功能。不仅3 种形式的天线均具备良好的工作带宽、轴比以及辐射增益，而且通过阵列排布满足了S 频段和北斗S 频段低仰角通信和抗干扰需求。