新型共孔径导航天线

穆 欣

新型共孔径导航天线

穆 欣

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

提出了一种新型共孔径导航天线。利用不同天线具有不同辐射空间的特点，在低频天线弱辐射区加载高频天线辐射区，两天线辐射区域互补的思路实现共孔径。仿真证明天线辐射性能不仅能够满足两种导航要求，同时两个天线端口之间的隔离度大于82 dB。该设计思路对减少机载平台天线的数量，提高系统集成度具有指导意义。

共孔径天线；导航天线；高隔离度

0 引言

随着军事科技水平的不断提高，未来战争对作战平台的信息化、综合化、隐身性以及远程打击能力要求更高。大量多功能电子设备集成在有限空间尺寸的作战平台上，不同设备带来的天线数量非常多，大量天线造成平台电磁兼容性差、雷达反射面积增大、防护性差、维护困难等问题，因此必须对天线进行射频孔径综合化设计以减少天线数量。射频孔径综合主要原则是采用尽量少的天线孔径满足雷达、电子战、敌我识别和通信导航等任务，同时不能因孔径综合而引起天线功能的下降[1]。这就需要对天线综合孔径进行研究，合理高效利用天线孔径。美国空军F-35战机应用的“宝石台”计划研究表明采用综合射频传感器系统可将天线孔径数量缩减50%以上，极大降低了飞机的重量和成本，同时为飞机的隐身、电磁兼容、可靠性等方面性能提升带来极大好处。

孔径综合的常用方法主要包括宽带天线技术、多频天线技术和孔径共用技术，其中宽带天线技术和多频天线技术已有诸多学者进行了研究，而孔径共用技术相对较少。文献[1]中，利用低频正交微带振子天线和高频方形贴片天线组成了S/X双波段共孔径微带天线阵，其中，高频天线单元填补了低频阵面的空隙，合理设计间距实现两个波段天线耦合较小，互相不影响辐射性能；文献[2]中，通过设计去耦合网络提升移动终端内多天线之间隔离度，解决了多通信体制共存时的相互干扰问题，实现了天线共孔径设计。文献[3-4]中都利用了在低频天线开孔而不影响辐射性能的方法，用高频方形贴片天线置于低频波段开孔下方，利用开孔进行辐射，分别构成了L/C波段和L/X波段的共孔径微带阵。虽然上述孔径共用的方法可以实现双频段共用，但存在以下缺点：

1）频率比限制，两个频段必须相距较远；

2）两个频段的天线需保持同极化；

3）每个天线采用不同的馈电网络，造成结构非常复杂。

本文提出一种新颖的天线孔径共用的设计方法。利用不同天线具有不同辐射区域的特点，在低频天线弱辐射区加载高频天线辐射区，两天线辐射区域互补的共孔径思路。这样既可以提高天线结构空间利用效率，又同时实现了辐射方向图互不影响，保持了天线的辐射性能。基于上述设计思路，将一个C波段垂直极化全向辐射盘锥天线集成在双频圆极化定向辐射微带天线上，在保持低频天线结构尺寸基本不变的同时，直接减少了C波段天线孔径。经过仿真计算，该天线不仅同时满足了GPS L1和北斗B3两个频段的卫导功能，还满足了C波段微波着陆测角功能，而且两个天线端口隔离度达到了82 dB以上，实现了两个功能互不影响。如果该天线应用在机载平台上，不仅能够同时满足卫星导航和微波着陆天线功能，还能减少一个C波段天线孔径。

1 共孔径天线设计

微带天线是一种常见的圆极化天线形式，常常被应用在卫导天线设计中。该类型天线具有以下优点：

1）成本低廉，工艺成熟，对加工工艺要求不高，适合进行批量生产；

2）体积小、重量轻、剖面低，易于与载体（如飞机、卫星、导弹等）结构共形；

3）微带天线及其馈电网络易于集成，实现圆极化辐射结构简单。微带天线最大的缺点是带宽窄，为了满足卫导天线的多模工作，通常采用多频工作的多层微带设计。

盘锥天线是一种常见的小型化全向辐射垂直极化天线形式，该天线基于传统单级子天线变形，通过在单级子辐射体周围加载短路柱引导辐射电流回到地板的设计，极大减缩了单级子天线的纵向尺寸，该类型天线常常被用在通信、导航等领域，主要具有以下优点：

1）尺寸小，结构紧凑；

2）通过合理的小型化设计可以与载体（如飞机、卫星、导弹等）结构共形。

共孔径导航天线的模型示意图如图1所示，截面图如图2所示。

图1 天线结构俯视图

图2 天线截面图

该天线整体为六边形的腔体结构，分上下两个腔体，其中上腔体从下到上排列了两层卫导贴片天线和一层C波段贴片，两层卫导贴片通过双馈探针馈电，探针底部穿过上层腔体连接下部腔体的微带馈电网络，馈电网络采用微带移相器设计，最后通过端口1进行馈电，C波段贴片天线通过中心的馈电探针直接连接到端口2，顶部四个金属螺钉短路柱直接连接到两侧腔体中间金属壁上实现盘锥天线的短路柱功能。为了保证卫导天线两层印制板结构稳定可靠，设计了四个环氧螺钉将天线固定在金属壁上。选择介电常数为10的印制板作为C波段天线辐射单元材料，这可以进一步减小尺寸降低对卫导天线辐射的影响，选择介电常数为3的低损耗印制板材料作为卫导天线辐射单元材料。

2 仿真分析

利用HFSS15软件对设计的共孔径天线进行仿真分析，首先仿真共孔径天线的回波损耗（S11），如图3和图4所示。

图3 L波段两个频带的回波损耗（S11）

图4 C波段的回波损耗（S11）

从图3和图4看出，微波着陆测角功能对应的C波段（5.031 GHz～5.091 GHz）和卫导对应的L波段两个频带（1 575 GHz±1 MHz，1 268 GHz± 10 MHz）在工作频带内驻波比都小于2，满足使用要求。

图5和图6分别展示了共孔径天线C波段水平面（俯仰角50°时）和俯仰面的方向图。

图5 C波段水平面方向图（俯仰角50°时）

图6 C波段俯仰面方向图

图7和图8展示了共孔径天线L波段两个卫导工作频带的中心频点俯仰面方向图，图9展示了轴比。

图7 1 268 GHz俯仰面左旋、右旋方向图

图8 1 575 GHz俯仰面左旋、右旋方向图

图9 L波段两个卫导工作频带中心频点的轴比

从图5中看出，共孔径天线在C波段天线达到全向辐射特性，不圆度最差为3.2 dB，共孔径天线的增益达到了5.2 dBi，满足微波着陆测角天线技术要求。共孔径天线在L波段增益达到了5.8 dB，轴比小于2.1 dB，可以同时满足L1和B3双模卫星导航天线技术要求。

图10展示了共孔径天线L波段两个卫导工作频带内，L波段端口与C波段端口的隔离度，可见该天线端口隔离度达到了82 dB以上，C波段辐射单元对卫导信号几乎无影响。

图10 L波段两个卫导工作频带隔离度

图11～图13展示了共孔径天线在不同频率工作情况下的电流分布，可见不同的工作频率利用了天线不同的辐射区域，并且两者空间上互相补充又不互相影响，提高了天线孔径的利用效率。

图11 1 268 GHz辐射体电流分布

图12 1 575 GHz辐射电流分布

图13 5.061 GHz辐射电流分布

3 结论

本文提出一种新的天线孔径共用的设计方法。利用不同天线具有不同辐射区域的特点，在低频天线弱辐射区加载高频天线辐射区，两天线辐射区域互补的共孔径思路，一方面提高天线结构空间利用效率，另一方面实现了辐射方向图互不影响，保持了天线的辐射性能。通过仿真验证了天线集成后具有稳定的远场辐射特性，两个端口之间的隔离度大于82 dB，避免了相互之间的影响，可以同时满足微波着陆测距功能和卫导功能使用要求。将两个频段的独立天线集成为一个天线，减少了天线的数量，对提高系统集成度，尤其是机载天线平台有一定指导意义。

[1] 徐艳国，胡学成. 综合射频技术及其发展[J]. 电子科学研究院学报，2009，4（6）：551-559.

[2] 何惠琴，李益民，袁媛. 多制式共存通信系统天线研究与设计[J]. 通信技术，2010，43（8）：143-145.

[3] 钟顺时，瞿新安，张玉梅，等. 共用口径双波段双极化微带天线阵[J]. 电波科学学报，2008，23（2）：305-309.

[4] SHAFAI L L, CHAMMA W A, BARAKATM, et al. Dual band dual polarized perforated microstrip antennas for SAR application[J]. IEEE Trans Antenna Propagation, 2000, 48(1): 58-66.

Novel Design of Co-Aperture Antenna for Navigational Application

MU Xin

A new common aperture antenna design is presented. Using the characteristics of different antennas with different radiation spaces, the low-frequency antenna’s weak radiation area is loaded with the high-frequency area, and the idea of complementing the two antenna radiation areas realizes a common aperture. Simulation results show stable integration of the far-field radiation characteristics of the antenna, the isolation is more than 82 dB reached. It has a strong significance to reduce the number of airborne antenna platform, improve the integration system.

Co-Aperture Antenna; Navigational Antenna; High Isolation

TN822.4

A

1674-7976-(2022)-03-198-04

2022-04-27。

穆欣（1987.06—），陕西杨凌人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为机载天线、低RCS天线。