衛(wèi)星干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線設(shè)計(jì)

李 明

（1 中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安710068；2 陜西省組合與智能導(dǎo)航重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710068）

0 引言

隨著無人機(jī)開發(fā)與制造成本的降低，無人機(jī)行業(yè)發(fā)展迅猛，民用無人機(jī)在物流、探測(cè)、攝影和娛樂表演等領(lǐng)域得到了大規(guī)模應(yīng)用[1]。伴隨著無人機(jī)數(shù)量的激增及低空飛行的逐步開放，來自無人機(jī)不可控的危險(xiǎn)機(jī)率大大增加，近年來無人機(jī)在機(jī)場(chǎng)及其他場(chǎng)所違規(guī)放飛導(dǎo)致的安全隱患新聞屢見不鮮，甚至還有因?yàn)檫`規(guī)操作或者無人機(jī)失控導(dǎo)致的安全事故，此類行為對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的治安管理等造成了極大的困擾。因此，開展反無人技術(shù)研究勢(shì)在必行[2-3]。

在反無人機(jī)技術(shù)中，干擾驅(qū)離及誘騙技術(shù)是最具研究意義的技術(shù)。目前無人機(jī)多采用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位，精確的位置、速度及航向信息是無人機(jī)成功飛行的必備條件。衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收天線口面時(shí)信號(hào)非常微弱，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，其易損性和脆弱性會(huì)輕易表現(xiàn)出來。因此，通過對(duì)無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)施干擾可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的干擾驅(qū)離甚至誘騙[4-5]。

衛(wèi)星導(dǎo)航干擾系統(tǒng)包括衛(wèi)星信號(hào)生成及發(fā)射設(shè)備。天線作為電磁波在空間轉(zhuǎn)換的媒介，是發(fā)射子系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一?，F(xiàn)有的轉(zhuǎn)發(fā)式天線多采用微帶天線或螺旋天線形式，其特點(diǎn)為波束范圍寬，增益普遍不高，無法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方向高增益高準(zhǔn)確度干擾的應(yīng)用需求[6-7]。本文基于衛(wèi)星導(dǎo)航干擾系統(tǒng)的研制，設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)天線，該天線可實(shí)現(xiàn)多個(gè)衛(wèi)星頻點(diǎn)干擾信號(hào)的發(fā)射，同時(shí)具備高增益和低副瓣等特點(diǎn)，能在目標(biāo)范圍產(chǎn)生較好的衛(wèi)星信號(hào)干擾效果。

1 天線設(shè)計(jì)

衛(wèi)星信號(hào)干擾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在于期望方向產(chǎn)生干擾信號(hào)影響目標(biāo)設(shè)備，而在其它方向不發(fā)射干擾或產(chǎn)生零陷，以免影響其他設(shè)備正常運(yùn)行?；谠撛O(shè)計(jì)理念，我們需要設(shè)計(jì)一副高增益、窄波束和低副瓣的天線。衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)極化方式為右旋圓極化，且各系統(tǒng)具備多個(gè)頻點(diǎn)，因此該天線還要具備寬帶及右旋圓極化特性才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最優(yōu)輻射。

天線陣面尺寸為700 mm（長）×300 mm（寬）×70 mm（高），為了實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，天線單元采用具有90°相差的十字交叉振子，天線單元的相差由水平面內(nèi)的寬帶饋電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，并在水平方向布以6 單元的直線陣，采用泰勒綜合的設(shè)計(jì)方案，對(duì)天線陣元施加不同幅度相位的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)低副瓣的設(shè)計(jì)要求。

天線單元采用相互正交的對(duì)稱陣子作為天線的輻射體，同時(shí)給對(duì)稱陣子饋以相位相差90°的激勵(lì)，可以輻射出圓極化波。天線陣子示意圖如圖1所示。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)示意圖

饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)采用T 型結(jié)功分器和寬帶移相網(wǎng)絡(luò)，T 型結(jié)功分器實(shí)現(xiàn)功率分配，寬帶移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)90°相移。饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖2所示。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

對(duì)于天線的饋電結(jié)構(gòu)，為滿足在所需頻段內(nèi)良好的軸比特性，本方案采取寬帶相移功分網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行饋電。饋電網(wǎng)絡(luò)同樣印刷在介質(zhì)板上，其兩個(gè)輸出口與對(duì)稱陣子的兩個(gè)耦合饋電線相連。其輸入口與上級(jí)功率分配器相連，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功分相移網(wǎng)絡(luò)

表1給出了幾個(gè)頻點(diǎn)功分相移網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算結(jié)果。

表1 功分移相網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

為了實(shí)現(xiàn)在期望方向輻射信號(hào)的特點(diǎn)，需對(duì)陣列進(jìn)行低副瓣綜合設(shè)計(jì)。陣列綜合是陣列分析的逆過程，它是指在已知陣列輻射特性的情況下，通過研究方法給出天線陣的單元數(shù)、單元的空間排布、單元激勵(lì)幅度和相位所遵循的分布的過程。通過調(diào)整零點(diǎn)的位置，降低邊緣副瓣，使得能量損失減小，并且天線陣長較短，通過前期設(shè)計(jì)和計(jì)算就可以確定副瓣的個(gè)數(shù)和副瓣衰減的速度，此種綜合的方法稱為泰勒綜合。

泰勒分布饋電的天線陣方向圖中零點(diǎn)所在位置為：

其中，

式中，σ是波瓣展寬因子，SLL為設(shè)計(jì)副瓣電平。當(dāng)n＜時(shí)，副瓣可稱為近旁瓣，n＞時(shí)，副瓣為遠(yuǎn)旁瓣。根據(jù)方向圖零點(diǎn)位置可知，當(dāng)n＜時(shí)副瓣近似相等，而n＞時(shí)，副瓣逐漸衰減。

為實(shí)現(xiàn)低副瓣窄波束的輻射特性，對(duì)于第一級(jí)功分采用T 型結(jié)功分器設(shè)計(jì)，第二級(jí)功分采用耦合能量的方式予以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了滿足各個(gè)端口的相位關(guān)系，進(jìn)行了相位補(bǔ)償。

2 仿真分析

通過上述分析，對(duì)天線陣列進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 天線陣面駐波比

從圖4我們可以看出陣列天線在帶寬內(nèi)（1.2～1.6 GHz）駐波比小于2，具有良好的阻抗匹配特性。

天線陣面的輻射方向圖如圖5～圖6所示，輻射增益如表2所示。從結(jié)果可以看出，天線陣面在低頻段（f＝1268 MHz）軸向增益為12.5 dBi，旁瓣抑制為 25 dB，前后比為 27 dB；在高頻段（f＝1575 MHz）軸向增益為13.5 dBi，旁瓣抑制為25 dB，前后比為29 dB。從仿真結(jié)果看出，天線方向圖軸向增益高，副瓣電平低，具有良好的輻射特性，滿足期望方向輻射增益高，其它方向輻射增益低的設(shè)計(jì)要求。

圖5 1268 MHz 輻射方向圖

圖6 1575 MHz 輻射方向圖

表2 天線輻射特性信息表

陣列天線的軸比仿真圖如圖7所示。從圖中可以看出，天線在±20°波束范圍內(nèi)軸比小于3 dB，具有良好的圓極化輻射特性。

圖7 天線各頻點(diǎn)軸比

3 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星干擾信號(hào)發(fā)射天線，通過設(shè)計(jì)寬帶功分移相網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)其寬帶圓極化特性，采用泰勒綜合方法實(shí)現(xiàn)天線陣面的低副瓣特性。然后對(duì)天線陣面進(jìn)行了仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該天線具備期望方向的高增益輻射，其它方向副瓣電平低的優(yōu)良特性。該結(jié)果可應(yīng)用于反無人系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，具備廣闊的應(yīng)用前景。