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臨近空間通信的地面站天線設(shè)計


時間:2018-01-30 作者:
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臨近空間飛行器作為通信平臺,具有衛(wèi)星通信、飛機通信和地面通信站無法比擬的優(yōu)點。某型號通信組件用于地面對臨近空間飛艇數(shù)據(jù)通信,實現(xiàn)半徑150km范圍內(nèi)、高度20km以上高空飛艇的遙控、遙測和視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸,要求具有傳輸速率高、可靠性高等特點。地面站天線作為地面通信組件終端的門戶,具有舉足輕重的作用。

本設(shè)計分三部分內(nèi)容,首先是天線子陣的設(shè)計;其次,圓極化特性的實現(xiàn);最后,對于天線陣進行加工測試,完成天線陣最終設(shè)計。該天線陣結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低,可作為其它空間通信地面站天線設(shè)計參考。

1. 天線子陣的設(shè)計

天線由上下兩層構(gòu)成,每層包括四個天線子陣,每個子陣有16個輻射單元,由一個1分16功分網(wǎng)絡(luò)給子陣的每個單元饋電。

天線單元采用印刷振子形式,如圖1.1所示。


圖1.1 單元天線示意圖(虛線部分為介質(zhì)板下層電路)


根據(jù)平板天線經(jīng)典理論[2],結(jié)合HFSS,優(yōu)化天線參數(shù),當(dāng)L=54mm,D=18mm,天線單元的仿真VSWR曲線如圖2.2所示。


圖1.2 單元仿真VSWR


由圖1.2可見,該天線單元的阻抗帶寬超過18%(VSWR<1.5)
功分網(wǎng)絡(luò)出口間距即為陣元間距,陣元間距要小于空間波長,以避免柵瓣出現(xiàn)[3] 。功分網(wǎng)絡(luò)如圖1.3所示,其設(shè)計采用并饋結(jié)構(gòu),其由若干個1分2等功分器組成。


圖1.3 功分網(wǎng)絡(luò)仿真模型


圖1.4給出了功分網(wǎng)絡(luò)輸入端口的VSWR仿真曲線,在工作頻段內(nèi)饋電網(wǎng)絡(luò)的VSWR<1.5。


圖1.4 功分網(wǎng)絡(luò)輸入口VSWR


在獲得具有良好性能的單元天線和功分網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上,進行一體化仿真設(shè)計,為了提高天線的增益,根據(jù)鏡像原理[4],將天線子陣安裝在金屬反射板上,距金屬底板0.25λ,便可獲得天線最高增益,如圖1.5所示。


圖1.5 天線子陣仿真模型


仿真結(jié)果表明:陣元間距為98mm(約為0.72λ),陣元之間互耦效應(yīng)不明顯,彼此基本不影響輻射特性。天線陣駐波與天線陣方向圖如圖1.6、圖1.7所示。

由圖1.6可見,該天線子陣的阻抗帶寬超過14%(VSWR<1.5);由圖1.7可見, 天線子陣3dB波束寬度為θ方位 × θ俯仰 = 18°×16.8°。


圖1.6 天線子陣仿真VSWR

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