臨近空間飛行器作為通信平臺，具有衛星通信、飛機通信和地面通信站無法比擬的優點。某型號通信組件用于地面對臨近空間飛艇數據通信，實現半徑150km范圍內、高度20km以上高空飛艇的遙控、遙測和視頻圖像數據的傳輸，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。

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

1. 天線子陣的設計

天線由上下兩層構成，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功分網絡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（虛線部分為介質板下層電路）

根據平板天線經典理論[2]，結合HFSS，優化天線參數，當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）
功分網絡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[3] 。功分網絡如圖1.3所示，其設計采用并饋結構，其由若干個1分2等功分器組成。

圖1.3 功分網絡仿真模型

圖1.4給出了功分網絡輸入端口的VSWR仿真曲線，在工作頻段內饋電網絡的VSWR＜1.5。

圖1.4 功分網絡輸入口VSWR

在獲得具有良好性能的單元天線和功分網絡結構參數的基礎上，進行一體化仿真設計，為了提高天線的增益，根據鏡像原理[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

仿真結果表明：陣元間距為98mm（約為0.72λ），陣元之間互耦效應不明顯，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1.7 子陣中心頻點仿真方向圖

2. 圓極化設計

為了獲取圓極化波[5]，必須具備三個條件，即1.空間具備兩個正交矢量場；2.兩個矢量場幅度相等；3.兩個矢量場相差為90°。本設計中采用多元法技術來實現圓極化。

如圖2.1（a）所示，圓極化天線有上下兩層結構組成，上下兩層天線子陣結構相同，正交固定于反射板上，從而實現輻射兩個正交矢量場；如圖2.1（b）所示，上下兩層子陣通過電纜與一個1分2等副同相功分器相連，實現兩個正交矢量場幅度相等；上下兩層子陣間距D1 = 10mm，由此引起下層子陣輻射的電磁波相對上層子陣輻射的電磁波相差θ1（在自由空間的中心頻點）。

連接下層子陣的電纜與連接上層子陣的電纜的相差64°，因此，下層子陣矢量場與上層子陣矢量場相差90°，最終實現天線陣左旋圓極化的目的。

圖2.1 天線陣結構示意圖（a圖隱藏反射板裙邊）

圖2.2給出了天線陣工作帶寬內的軸比方向圖仿真結果，表明主波束軸比小于3dB。

圖2.2 圓極化天線子陣各頻點軸比方向圖

3. 加工與實測結果

根據仿真優化得到的尺寸，設計加工了一套樣機，如圖4.1所示。安裝時要嚴格保證上下層板對應振子正交，否則影響天線的圓極化性能。天線子陣介質板與金屬反射板上均開有通孔，不僅對天線電性能影響甚小，而且滿足天線戶外作業透風需要。

圖3.1 天線陣實物圖

對整個天線性能進行了驗證測試。圖4.2給出了天線陣總口實測駐波比曲線，在工作帶寬內，天線陣駐波小于1.6，滿足使用要求。

圖3.2 天線陣實測駐波曲線

圖3.3給出了天線中頻方向圖，其兩維3dB波束寬度為θ方位 × θ俯仰 = 8.5°×8.2°，其增益為20.8dB。

圖3.3 天線陣實測兩維方向圖

圖3.4給出了天線軸比的測試結果，在主波束范圍內，軸比均小于3dB。

圖3.4 天線陣實測軸比方向圖

4. 結束語

本文詳細介紹了一種S波段的疊層天線的設計，其在10%的工作帶寬內，實現主波束軸比小于3dB，增益大于20dB等特性，滿足作為臨近空間通信地面站天線的使用需求。該天線陣結構簡單、易實現、成本低，可為其它空間通信地面站天線設計提供參考。目前該天線陣已成功研制并使用于某民用飛艇項目。