临近空间飞行器作为通信平台，具有卫星通信、飞机通信和地面通信站无法比拟的优点。某型号通信组件用于地面对临近空间飞艇数据通信，实现半径150km范围内、高度20km以上高空飞艇的遥控、遥测和视频图像数据的传输，要求具有传输速率高、可靠性高等特点。地面站天线作为地面通信组件终端的门户，具有举足轻重的作用。
本设计分三部分内容，首先是天线子阵的设计；其次，圆极化特性的实现；最后，对于天线阵进行加工测试，完成天线阵最终设计。该天线阵结构简单、易实现、成本低，可作为其它空间通信地面站天线设计参考。
1. 天线子阵的设计
天线由上下两层构成，每层包括四个天线子阵，每个子阵有16个辐射单元，由一个1分16功分网络给子阵的每个单元馈电。
天线单元采用印刷振子形式，如图1.1所示。
图1.1 单元天线示意图（虚线部分为介质板下层电路）
根据平板天线经典理论[2]，结合HFSS，优化天线参数，当L=54mm，D=18mm，天线单元的仿真VSWR曲线如图2.2所示。
图1.2 单元仿真VSWR
由图1.2可见，该天线单元的阻抗带宽超过18%（VSWR<1.5）
功分网络出口间距即为阵元间距，阵元间距要小于空间波长，以避免栅瓣出现[3] 。功分网络如图1.3所示，其设计采用并馈结构，其由若干个1分2等功分器组成。
图1.3 功分网络仿真模型
图1.4给出了功分网络输入端口的VSWR仿真曲线，在工作频段内馈电网络的VSWR＜1.5。
图1.4 功分网络输入口VSWR
在获得具有良好性能的单元天线和功分网络结构参数的基础上，进行一体化仿真设计，为了提高天线的增益，根据镜像原理[4]，将天线子阵安装在金属反射板上，距金属底板0.25λ，便可获得天线最高增益，如图1.5所示。
图1.5 天线子阵仿真模型
仿真结果表明：阵元间距为98mm（约为0.72λ），阵元之间互耦效应不明显，彼此基本不影响辐射特性。天线阵驻波与天线阵方向图如图1.6、图1.7所示。
由图1.6可见，该天线子阵的阻抗带宽超过14%（VSWR<1.5）；由图1.7可见， 天线子阵3dB波束宽度为θ方位 × θ俯仰 = 18°×16.8°。
图1.7 子阵中心频点仿真方向图
2. 圆极化设计
为了获取圆极化波[5]，必须具备三个条件，即1.空间具备两个正交矢量场；2.两个矢量场幅度相等；3.两个矢量场相差为90°。本设计中采用多元法技术来实现圆极化。
如图2.1（a）所示，圆极化天线有上下两层结构组成，上下两层天线子阵结构相同，正交固定于反射板上，从而实现辐射两个正交矢量场；如图2.1（b）所示，上下两层子阵通过电缆与一个1分2等副同相功分器相连，实现两个正交矢量场幅度相等；上下两层子阵间距D1 = 10mm，由此引起下层子阵辐射的电磁波相对上层子阵辐射的电磁波相差θ1（在自由空间的中心频点）。
连接下层子阵的电缆与连接上层子阵的电缆的相差64°，因此，下层子阵矢量场与上层子阵矢量场相差90°，最终实现天线阵左旋圆极化的目的。
图2.1 天线阵结构示意图（a图隐藏反射板裙边）
图2.2给出了天线阵工作带宽内的轴比方向图仿真结果，表明主波束轴比小于3dB。
图2.2 圆极化天线子阵各频点轴比方向图
3. 加工与实测结果
根据仿真优化得到的尺寸，设计加工了一套样机，如图4.1所示。安装时要严格保证上下层板对应振子正交，否则影响天线的圆极化性能。天线子阵介质板与金属反射板上均开有通孔，不仅对天线电性能影响甚小，而且满足天线户外作业透风需要。
图3.1 天线阵实物图
对整个天线性能进行了验证测试。图4.2给出了天线阵总口实测驻波比曲线，在工作带宽内，天线阵驻波小于1.6，满足使用要求。
图3.2 天线阵实测驻波曲线
图3.3给出了天线中频方向图，其两维3dB波束宽度为θ方位 × θ俯仰 = 8.5°×8.2°，其增益为20.8dB。
图3.3 天线阵实测两维方向图
图3.4给出了天线轴比的测试结果，在主波束范围内，轴比均小于3dB。
图3.4 天线阵实测轴比方向图
4. 结束语
本文详细介绍了一种S波段的叠层天线的设计，其在10%的工作带宽内，实现主波束轴比小于3dB，增益大于20dB等特性，满足作为临近空间通信地面站天线的使用需求。该天线阵结构简单、易实现、成本低，可为其它空间通信地面站天线设计提供参考。目前该天线阵已成功研制并使用于某民用飞艇项目。
