2022, Vol. 44
近年来，我国的卫星通信技术处于高速发展阶段，无论是卫星通信手段、通信速率还是通信覆盖范围都朝着多样化、高速率和多区域的方向发展[1]。卫星通信作为一种不受地理条件约束、通信容量高、覆盖范围广的通信手段无论在民用还是军用都有着十分重要的地位。现役潜艇为了能够适应最新体制下的卫星通信要求，天线需要针对最新的频段、带宽等要求展开进一步的研究。潜艇平台的工作环境恶劣，天线需要长期处于水下的储存环境中，可供天线安装的空间有限。潜用天线[2]在满足通信的各项电气指标以外还需要适应潜艇平台耐水压和小型化的设计要求。
天线为了满足在恶劣海况下大角度横摇和纵摇时的通信效果，需采用宽辐射波束[3-5]的天线形式，保证天线在不同姿态下都能够对准卫星。同时，由于受到平台安装的限制以及考虑到后期与其他天线能够一体化集成，UHF天线应尽量缩小径向尺寸采取在轴线方向布置天线辐射体的设计思路。轴向模四臂螺旋天线是一种能够满足上述要求的天线形式，但传统的四臂螺旋天线相对带宽一般仅有5%～8%，远远达不到设计要求，同时天线的馈电网络[6]尺寸较大，也不能适应与天线轴向集成的安装要求。因此，急需对新一代的UHF频段卫星通信天线展开研究。
1 天线设计 1.1 天线电气设计基于四臂螺旋天线[7-9]的理论基础，天线在此基础之上进行小型化设计、宽带化设计和一体式馈电网络的设计。四臂螺旋天线是一种谐振式天线，是由4根螺旋臂组成，每根螺旋臂的长度为Mλ/4（M为整数，λ为谐振频率的波长）。螺旋臂的长度包括螺旋部分和顶端径向部分，4根螺旋臂馈电端电流幅度相等，相位依次相差90°，非馈电端开路（M为奇数时）或短路（M为偶数时），如图1所示。四臂螺旋天线可以看成是由2个双臂螺旋天线组成的，这2个双臂螺旋天线需要以90°相位差馈电[10-12]。
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图 1 不同的螺旋结构 Fig. 1 Different helical structures |
如图2所示，谐振式四臂螺旋天线基本参数如下：r0为螺旋的半径；P为螺距（每一螺旋臂旋转一圈的轴向长度）；N为螺旋匝数；Lele为螺旋臂的长度；k=r0/P，为螺旋半径与螺距之比；Lax=PN，为螺旋的轴向长度；四臂螺旋的结构参数可由式(1)确定。
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图 2 四臂螺旋天线参数简化示意图 Fig. 2 Simplified schematic diagram of four arm spiral antenna parameters |
| $ P=\sqrt{\frac{1}{N^2}(L_{ele}-Ar_0)^2-4 \text{π} ^2r^2_0}。$ | (1) |
当M为奇数时，A=1；当M为偶数时，A=2。
根据卫星通信链路的计算，天线增益大于0 dB时可保证整个链路的可通率。结合天线使用工况和海情海况分析，天线0 dB波束宽度大于130°时基本可以满足天线对星增益大于0 dB。天线其他的主要战术技术指标如表1所示。
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表 1 天线主要战术技术指标 Tab.1 Antenna main tactical technical indicators |
根据经验，天线按照最小螺旋匝数N=0.75设计可以最大幅度降低天线的高度，实现小型化的要求。为了实现宽带化要求，天线通过展宽和采用变宽度的辐射臂来改变电流的流向与路径，并加载寄生辐射臂增强天线之间的耦合效应最终实现展宽辐射带宽的效果。
1.2 天线有限元仿真采用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真分析，天线仿真模型如图3所示。天线共有4组8根辐射臂，辐射臂相互之间为开路，下端与馈电网络端口连接。每组辐射臂中的主臂宽度约为22 mm，可改善天线的特性阻抗。每条主辐射臂的一旁短接有一根与其平行螺旋上升的寄生辐射臂，该寄生枝节可以拓展天线阻抗匹配频点。将2种方法结合起来，通过尺寸优化调整使天线主辐射臂与寄生辐射臂分别覆盖天线发射与接收频段，实现天线谐振频段的展宽。由于天线工作在耐压天线罩内部，因此仿真计算结合天线罩同步进行。
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图 3 UHF天线仿真模型 Fig. 3 UHF antenna simulation model |
在天线指标要求中发射频段的带宽达到了40 MHz，这里使用较宽的主辐射臂去覆盖该频段，接收频段的带宽为16 MHz，使用寄生辐射臂覆盖该频段。经过天线宽度、高度、间距等参数的不断优化，以及考虑天线罩加载之后对天线特性阻抗的影响，最终得到的天线仿真结果如图4～图6所示。
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图 4 UHF天线电压驻波比仿真结果 Fig. 4 Simulation results of UHF antenna VSWR |
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图 5 发射、接收频段0 dB波束宽度仿真结果 Fig. 5 Simulation results of 0 dB beamwidth in transmitting and receiving frequency bands |
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图 6 UHF天线轴比仿真结果 Fig. 6 Simulation results of UHF antenna axis ratio |
结合仿真分析可以得出，天线发射频段VSWR小于2，天线0 dB波束宽度大于180°，轴比小于0.13 dB，接收频段VSWR小于2.8，0 dB波束宽度大于164°，轴比小于0.08 dB，虽然接收频段的VSWR较高，但该频段为接收使用，仍然能够满足使用要求。
1.3 馈电网络设计与仿真四臂螺旋天线4条辐射臂需要以90°相位差等幅馈电，同时天线的工作带宽相对较宽，所以常规形式的威尔金森功分器并不能满足其使用要求。考虑到馈电网络小型化、天馈集成一体设计，采用LTCC电桥结合相移微带线的形式搭建宽带馈电网络。这里采用国产LTCC器件，满足自主可控要求，电桥主要性能指标如表2所示。
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表 2 LTCC电桥主要性能指标 Tab.2 LTCC bridge main performance indicators |
馈电网络仿真模型如图7所示。设计中采用了3个LTCC的电桥，首先通过一个电桥功率等分出相位为0°与90°的2个端口，然后通过微带线将2个端口中心频点的相位差增加至180°，最后再2路电桥扩展出相位为0°，90°，180°，270°的4个馈电端口。天线设计功率容量为50 W，LTCC电桥的最小端口隔离度18 dB，若电桥输出端口完全失配时，隔离端口受到反射功率影响后感应到的功率约为0.79 W，考虑到功率以及通信时间的冗余设计，电桥隔离端口采用耐受功率为20 W的大功率贴片电阻作为隔离电阻。将上述设计代入仿真模型进行计算，结果如图7～图10所示。
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图 7 UHF天线馈电网络 Fig. 7 UHF antenna feed network |
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图 10 馈电网络端口相位仿真结果 Fig. 10 Feed network port phase simulation results |
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图 8 UHF天线馈电网络VSWR Fig. 8 VSWR of UHF antenna feed network |
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图 9 馈电网络功率分配仿真结果 Fig. 9 Simulation results of power distribution in feed network |
从仿真计算结果可以看出，馈电网络驻波比小于1.05，能够实现4个端口的功率分配，不平衡度小于0.2 dB，中心频点相位延迟在90°±4°以内，微带线和LTCC电桥都能够承受50 W以上的功率，满足UHF天线的使用要求。
1.4 天线、馈电网络联合仿真结合天线单元、馈电网络和天线的结构支撑部件，将天线所有组成部件联合进行仿真，仿真模型如图11所示，计算结果如图12～图14所示。
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图 11 天线单元、馈电网络和支撑部件集成示意图 Fig. 11 Schematic diagram of antenna unit, feed network and support component integration |
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图 12 集成后VSWR仿真结果 Fig. 12 VSWR simulation results after integration |
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图 14 UHF天线轴比仿真结果仿真结果 Fig. 14 UHF antenna axis ratio simulation results Simulation results |
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图 13 集成后发射、接收频段方向图仿真结果 Fig. 13 Simulation results of transmitting and receiving band direction diagram after integration |
联合仿真计算结果表明天线在发射频段VSWR小于1.41，0 dB波束宽度大于150°，接收频段VSWR小于1.42，0 dB波束宽度大于140°，全频段内轴比与单独天线仿真计算结果一致，天线辐射臂、馈电网络均能够承受50 W功率容量，各项指标均能满足UHF卫星通信链路的使用要求。
2 天线样机性能测试及分析UHF卫通天线辐 射臂采用3 mm厚度的铝管通过数控机床线割加工制成，4组辐射臂环绕在由环氧树脂玻璃钢材料制作的天线支撑部件上，并通过螺钉进行固定。功分移相馈电网络由相对介电常数为9.6，厚度为2 mm的介质基板制成，表面附有微带线、LTCC电桥以及负载电阻。
天线与馈电网络电气集成后安装在耐水压天线罩内部，在室外反射测试场进行了电压驻波比测试和天线辐射方向图测试，方向图测试分别记录了天线水平与垂直方向的辐射分量，最后通过matlab修正反射场的影响，合成得出天线的实际辐射方向图，结果如图15所示。实际测试的结果如表3～表6所示。
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图 15 UHF天线方向图测试结果 Fig. 15 Test results of UHF antenna pattern |
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表 3 LTCC电桥主要性能指标 Tab.3 LTCC bridge main performance indicators |
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表 6 UHF天线接收频段方向图测试结果 Tab.6 Test results of UHF antenna receiving band direction chart |
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表 4 UHF天线驻波比测试结果 Tab.4 UHF antenna VSWR test results |
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表 5 UHF天线发射频段方向图测试结果 Tab.5 Test results of UHF antenna transmitting band direction chart |
本文研究实现了一种适应最新潜用体制的UHF频段卫星通信天线，设计采用变宽度辐射臂加载寄生臂的方式实现了宽带收发共用天线形式，并利用国产化LTCC电桥搭建了与天线一体化集成使用的功分移相馈电网络，满足装备100%国产化的设计要求。通过商用电磁仿真软件Ansoft HFSS进行天线与馈电网络的设计和联合仿真，并制作了实物样机进行性能指标测试，测试结果与仿真计算结果吻合，验证了方案的可行性，满足UHF频段卫通通信链路的使用要求。
该UHF卫星通信天线具有适应海洋环境，径向尺寸小、结构紧凑的特点，同时还具备与视距通信天线、高频卫星通信天线等一体化集成的能力，适合水面舰船、潜艇、UUV等水面、水下平台使用，将来还可以与其他类型的天线统筹设计，覆盖更广的通信频段、实现更多的通信手段，具备更强的通信能力。
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