一種同步衛(wèi)星C波段微帶天線的設(shè)計(jì)分析

商　鋒, 朱亞坤, 陳文學(xué)

(西安郵電大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710121)

微帶天線(microstrip antenna)是在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對(duì)貼片饋電構(gòu)成的天線[1]。矩形微帶天線的設(shè)計(jì)和制造工藝簡單，廣泛地應(yīng)用在無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子對(duì)抗、遙感、射電天文等工程系統(tǒng)來傳遞電磁波信息[2]。同步衛(wèi)星天線一般要求法相增益≥9.5dBic，扇面正前方向波束寬度±16°增益≥6.5dBic，扇面仰角30°波束寬度±16°增益≥0dBic。單個(gè)微帶天線的輻射效率比較低，增益不高，一般只有5～6 dBi[3]，不能達(dá)到衛(wèi)星同步衛(wèi)星通信的指標(biāo)要求。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者在提高微帶天線的輻射效率和增益方面做了大量的研究，并提出一些改進(jìn)方法，如改變天線結(jié)構(gòu)尺寸[3-4]，采用異型材料[5]，或通過表面波抑制[6-7]等。改變天線結(jié)構(gòu)一般會(huì)增加天線的重量，而異型材料又比較昂貴，表面波抑制技術(shù)難度比較大，所以，在微帶陣列天線研究方面，平面微帶相控陣天線一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。陣列天線或相控陣天線[8]具有高增益、高功率、低副瓣、波束掃描和窄波束等特性，使其廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域，例如應(yīng)用于各種雷達(dá)、通信、遙測(cè)、遙控和遙感等設(shè)備。本文以同步衛(wèi)星使用的C1(3 806-3 846 MHz)波段天線為應(yīng)用背景，同步衛(wèi)星天線的參數(shù)做要求，采用微帶貼片的結(jié)構(gòu)，用Ansoft HFSS設(shè)計(jì)仿真并加工成實(shí)物進(jìn)行統(tǒng)一性、可行性驗(yàn)證，論述了微帶貼片雙點(diǎn)饋圓極化陣列天線的設(shè)計(jì)。

1　天線設(shè)計(jì)理論

1.1　微帶貼片天線的設(shè)計(jì)

微帶天線設(shè)計(jì)的一般要求是在指定的工作頻率上得到特定的工作特性。為使微帶天線滿足這一要求，要選擇具有合適的幾何形狀的貼片?？紤]矩形微帶天線的設(shè)計(jì)、制造工藝簡單，在沒有特殊要求的情況下，首選矩形貼片。對(duì)于介質(zhì)基板厚度h、相對(duì)介電常數(shù)εr，天線的中心工作頻率f0，矩形貼片的實(shí)用寬度[9-10]為

(1)

式中c為真空中的光速。

當(dāng)選用大于式(1)的寬度時(shí),天線的輻射效率會(huì)提高,但此時(shí)天線將產(chǎn)生高次模，從而引起場(chǎng)的畸變，如果選用小于式(1)的寬度，則會(huì)引起天線輻射效率的降低，故一般矩形天線單元的寬度最好選取由式(1)確定的值[9]。

確定了矩形微帶貼片的寬度后,則介質(zhì)基板材料的相對(duì)有效介電常數(shù)為

(2)

微帶貼片天線邊緣場(chǎng)所引起等效伸長的長度為

(3)

1.2　陣列天線空間方向圖

在一個(gè)天線陣列中有N個(gè)單元，若第n個(gè)陣元在陣中單元方向圖為fn(θ,φ)，在陣中位置為(xn,yn,zn)，其激勵(lì)系數(shù)為Inejφn，其中In為激勵(lì)幅度，φn為激勵(lì)相位，則按疊加原理該陣列空間方向圖[11-12]為

(4)

式中k=2π/λ為自由空間波數(shù)，λ為工作波長。

采用陣元相同，其單元方向圖為f0(θ,φ)，陣列邊緣效應(yīng)忽略不計(jì)時(shí)，陣列方向圖可寫成

(5)

f(θ,φ)=f0(θ,φ)S。

(6)

式(6)表明，陣列的空間方向圖可表示為陣元的單元方向圖與陣因子之乘積。一般來說，當(dāng)陣元數(shù)N較大時(shí)，陣元方向圖波瓣較寬，相乘之后單元方向圖對(duì)陣列輻射波瓣形狀影響較小，陣因子的空間特性基本決定了陣列的空間輻射特性，但對(duì)于小型陣列，陣元空間特性也將影響陣列方向圖。

2　微帶陣列天線設(shè)計(jì)方案

針對(duì)天線法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束寬度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°，波束寬度±16°增益≥0 dBic，且天線各個(gè)頻點(diǎn)下的前后比≥10 dB等技術(shù)指標(biāo)和天線工裝尺寸小于450 mm×320 mm等要求，對(duì)天線作出設(shè)計(jì)如下。

工作于主模的微帶天線，其方向圖在水平面上360°均勻輻射，法向方向(仰角90°)為最大輻射方向，垂直方向圖具有一定寬度的波束。根據(jù)天線陣的方向圖乘積定理，兩元等幅同相，且相距為0.75倍波長的直線陣方向圖如圖1所示，使用這種兩元陣可以實(shí)現(xiàn)天線方向圖為扇形，其兩元之間的距離需在仿真中做適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足波瓣寬度的要求。

圖1　兩元陣合成方向圖

3　仿真及結(jié)果

天線陣方向圖乘積定理，利用Ansoft HFSS仿真軟件進(jìn)行C1波段陣列天線的仿真設(shè)計(jì)。

建立模型如圖2，其中，接地板尺寸取為320 mm×320 mm×4 mm，介質(zhì)板尺寸為30 mm×30 mm×4 mm，輻射貼片寬度為19.4 mm×19.4 mm并在貼片四周加枝節(jié)以便調(diào)試。

圖2　天線仿真模型

利用Ansoft HFSS軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行仿真，可以分別得到天線的電壓駐波比如圖3，以及天線在低頻點(diǎn)、諧振點(diǎn)、高頻點(diǎn)的極化增益方向圖分別如圖4—圖10所示。在極化增益方向圖中采用極坐標(biāo)，其中ρ表示增益，單位為“dB”，θ表示角度，單位為“°”，各點(diǎn)坐標(biāo)(Theta，Ang,Mag)單位分別為“°”、“°”和“dB”。

圖3中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(3 806,1.024 4)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(3 826，1.459 8)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(3 846，1.487 6)。從圖中可以看出，天線在3.806～3.846 GHz頻帶范圍內(nèi)，電壓駐波比小于1.5，具有良好的阻抗帶寬。

圖3　天線仿真電壓駐波比

圖4和圖5分別為低頻點(diǎn)(3 806 MHz)水平和垂直增益方向圖。圖4中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，5.456 8)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，3.229 3)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(16，16，3.779 8)。圖5中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，9.982 2)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，6.790 9)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(16，16，6.862 6)，可以看出，在低頻點(diǎn)天線法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束寬度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束寬度±16°增益≥0 dBic。

圖4　天線仿真3 806 MHz時(shí)仰角30°增益圖

圖5　天線仿真3 806 MHz時(shí)垂直面增益圖

圖6和圖7分別為諧振點(diǎn)(3 826 MHz)水平和垂直增益方向圖，圖6中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，5.736 6)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，3.527 3)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(16，16，4.025 3)。圖7中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，10.176 3)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，7.025 1)，M3點(diǎn)坐標(biāo)(16，16，7.062 3)，可以看出，在諧振點(diǎn)天線法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束寬度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束寬度±16°增益≥0 dBic。

圖6　天線仿真3 826 MHz時(shí)仰角30°增益圖

圖7　天線仿真3 826 MHz時(shí)垂直面增益圖

圖8　天線仿真3 846 MHz時(shí)仰角30°增益圖

圖9　天線仿真3 806 MHz時(shí)垂直面增益圖

圖8和圖9分別為高頻點(diǎn)(3 846 MHz)水平和垂直增益方向圖，圖8中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，5.665 1)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，3.468 6)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(16，16，3.909 3)。圖9中M1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0，10.000 7)，M2點(diǎn)坐標(biāo)為(-16，-16，6.893 4)，M3點(diǎn)坐標(biāo)為(16，16，6.893 5)，可以看出，在高頻點(diǎn)天線法相增益≥9.5 dBic,扇面正前方向波束寬度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束寬度±16°增益≥0 dBic。

圖10為天線陣的3D增益方向圖。從圖可以看出，天線輻射方向圖為扇形，最大輻射方向增益為10.17 dBic，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10　天線仿真3維增益方向圖

4　天線實(shí)物和測(cè)試結(jié)果

根據(jù)Ansoft HFSS軟件仿真優(yōu)化得到如圖11所示尺寸并用Auto CAD軟件畫出PCB版圖，加工出實(shí)物如圖12所示。

在Agilent公司矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上進(jìn)行調(diào)試，將諧振點(diǎn)調(diào)試到C1頻段的中心頻率3826MHz處。通過海天天線方向圖處理系統(tǒng)得出天線方向圖，經(jīng)過整理計(jì)算得出C1頻段天線方向圖數(shù)據(jù)結(jié)果如表1。

圖11　天線仿真優(yōu)化尺寸

圖12　天線加工實(shí)物圖

頻點(diǎn)/MHzPhi=0法向增益/dBic最大輻射方向增益/dBic天線正前方前后比/dBTheta =60°(30°仰角)Phi=0°增益/dBic±16°波瓣增益/dBicH面±16°最大軸比/dB Phi=90°法向增益/dBic最大輻射方向增益/dBic天線正前方前后比/dB38069.009.3723.455.93.5510.449.009.1725.6138169.439.8424.055.153.8110.069.459.6124.5438269.329.8123.195.123.710.229.329.526.8338369.4910.1621.325.293.739.499.459.5628.1438469.2710.1020.735.203.559.199.279.3429.038569.4410.2620.475.253.528.829.449.5228.7238669.019.8519.675.183.488.859.019.1028.24

從表1結(jié)果可見，天線實(shí)物的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，說明了所設(shè)計(jì)的該天線的可行性，且符合設(shè)計(jì)要求。

陣列天線單元的安裝精度、結(jié)構(gòu)誤差和環(huán)境載荷導(dǎo)致的陣面平面度的變化都會(huì)影響天線的電性能，在陣列天線遠(yuǎn)場(chǎng)中不能只考慮遠(yuǎn)場(chǎng)因子方向圖而忽略天線單元的極化差異。

5　結(jié)語

在分析微帶陣列天線理論的基礎(chǔ)上，采用矩形輻射貼片，雙點(diǎn)饋圓極化的兩元等幅同相、且相距為0.75倍波長的直線陣結(jié)構(gòu)和接地板尺寸為320 mm×320 mm×4 mm，介質(zhì)板尺寸為30 mm×30 mm×4 mm，輻射貼片寬度為19.4 mm×19.4 mm的尺寸，通過軟件仿真、優(yōu)化等步驟，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于同步衛(wèi)星C1波段的微帶陣列天線。天線法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方波束寬度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束寬度±16°增益≥0 dBic且天線各個(gè)頻點(diǎn)下的前后比≥10 dB。通過實(shí)物加工和測(cè)量結(jié)果表明，測(cè)試指標(biāo)參數(shù)與仿真結(jié)果基本一致。此天線結(jié)構(gòu)在工程實(shí)踐中具有一定的實(shí)用價(jià)值。