星載L 波段寬帶高增益圓極化微帶天線設(shè)計(jì)

隋濤，邢斯瑞，孫偉，安向東

(長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，無(wú)線通信領(lǐng)域已經(jīng)在衛(wèi)星制造中占據(jù)了無(wú)可取代的位置。其中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)概念的提出[1-2]使得通信衛(wèi)星在近幾年正在飛速發(fā)展，而天線作為無(wú)線通信中關(guān)鍵的一環(huán)，其設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)的優(yōu)良性能及功能顯得格外關(guān)鍵[3-6]。本文依托吉林一號(hào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了一款星載L 波段寬帶高增益圓極化微帶天線，可以作為低頻段通信轉(zhuǎn)發(fā)載荷的一部分，以完成衛(wèi)星通信信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)娜蝿?wù)。

為了在微帶天線中實(shí)現(xiàn)低頻段大帶寬，前人已經(jīng)做了大量工作，例如：文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)了一種雙層矩形貼片的層疊結(jié)構(gòu)以展開(kāi)天線帶寬，阻抗相對(duì)帶寬達(dá)到10%，頻帶內(nèi)增益大于6 dB；文獻(xiàn)[8]中設(shè)計(jì)了一款用于全球定位系統(tǒng)的圓極化微帶天線，采用電容耦合探針饋電增加阻抗帶寬，采用共面寄生貼片提高圓極化帶寬，峰值增益達(dá)到8 dBi；文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)了一種4 段扇形天線組成的采用一分四功率分配器芯片實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的天線，并采用電磁帶隙結(jié)構(gòu)作為高阻抗表面以實(shí)現(xiàn)天線能量定向輻射；文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)了一款環(huán)形槽縫隙耦合饋電的雙層微帶天線，實(shí)現(xiàn)了17.6%的駐波相對(duì)帶寬，且?guī)拑?nèi)增益大于7.2 dBi。除此之外，還有人采用電磁超材料或法布里-珀羅諧振腔設(shè)計(jì)以提高帶寬[11-12]。

本文所設(shè)計(jì)天線工作在L 波段，采用H 形槽縫隙耦合饋電設(shè)計(jì)以展寬頻帶，采用威爾金森移相功分器實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)相位差以滿足圓極化設(shè)計(jì)，采用金屬背板以提高天線增益，在各層板間填充聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethacrylimide，PMI)泡沫以固定天線整體結(jié)構(gòu)，天線整體具備良好性能。在后續(xù)吉林一號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)階段，此天線可為通信轉(zhuǎn)發(fā)載荷提供無(wú)線保障，同時(shí)也為低頻段寬帶高增益天線提供一種設(shè)計(jì)思路。

1 天線設(shè)計(jì)與仿真

1.1 H 形縫隙單元

微帶天線是一種諧振式天線，其諧振特性類似高Q值并聯(lián)諧振電路，所以微帶天線的阻抗頻帶較窄，相對(duì)帶寬一般只有2%左右。而根據(jù)任務(wù)指標(biāo)本文所設(shè)計(jì)天線相對(duì)帶寬需要達(dá)到7%，故為了降低天線Q 值，提高天線帶寬，本文采用了縫隙耦合饋電的方法。

縫隙耦合饋電一般為雙層結(jié)構(gòu)，天線的輻射貼片位于上層介質(zhì)板上表面，縫隙單元位于下層介質(zhì)板上表面，饋電網(wǎng)絡(luò)位于下層介質(zhì)板下表面。天線能量通過(guò)微帶線饋入下層介質(zhì)板后再經(jīng)縫隙耦合的方式對(duì)輻射貼片進(jìn)行激勵(lì)，不同的縫隙形狀對(duì)耦合強(qiáng)度的影響不同，增加縫隙尺寸可以提高能量耦合，但后向輻射也會(huì)隨之加強(qiáng)。因此，為了可以獲得較大耦合量和較小的開(kāi)槽面積，本文采取了H 形縫隙開(kāi)槽形狀。

H 形縫隙單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，這里介質(zhì)板選用F4BM265，介電常數(shù)為2.65，厚度為1 mm。在介質(zhì)板上表面整面敷銅的基礎(chǔ)下進(jìn)行H 形縫隙開(kāi)槽，采用雙H形正交排列的目的是實(shí)現(xiàn)介質(zhì)板下表面饋線網(wǎng)絡(luò)中雙饋點(diǎn)激勵(lì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圓極化。其中各個(gè)尺寸數(shù)值如下：m0=1.8 mm，m1=20 mm，m2=29 mm，m3=38 mm，m4=17 mm，l1=100 mm，l2=100 mm。

圖1 H 形縫隙單元結(jié)構(gòu)

1.2 饋電網(wǎng)絡(luò)單元

天線整體的饋電網(wǎng)絡(luò)單元位于下層介質(zhì)板下表面，具體的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。由于雙饋法可以展寬天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，故饋電網(wǎng)絡(luò)采用雙饋法饋電，信號(hào)能量通過(guò)端口1 饋入微帶線，經(jīng)威爾金森移相功分器后在端口2 與端口3 通過(guò)H 形縫隙單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行向上輻射。結(jié)構(gòu)中具體尺寸為w1=2.6 mm，w2=1.5 mm，貼片電阻阻值為100 Ω。

圖2 饋電網(wǎng)絡(luò)單元結(jié)構(gòu)

饋電網(wǎng)絡(luò)采用的是威爾金森移相功分器，其作用一是兩輸出端電長(zhǎng)度相差約四分之一波長(zhǎng)，兩端口可以輸出相位差為90°、幅度相等的線極化波以合成圓極化波；作用二是與簡(jiǎn)單功分器相比，其加入了隔離電阻，提高了端口2 與端口3 之間的隔離度，進(jìn)而提高天線性能。

對(duì)饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果如圖3、圖4 所示。圖3 為饋電網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗，可以看出在f0(中心頻率f0=1.45 GHz)處S21、S31 在-3.3 dB 左右，曲線整體波動(dòng)不超過(guò)0.2 dB，功率分配特性較好。圖4 為饋電網(wǎng)絡(luò)的相位差，在f0處S21 與S31 相位差為90°，端口2 相位超前端口3 相位90°，天線整體輻射右旋圓極化波。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)相位差

1.3 天線整體結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)天線整體結(jié)構(gòu)如圖5、圖6 所示，從上至下依次為輻射層板、上層泡沫板、饋電層板、下層泡沫板、金屬底板。結(jié)構(gòu)中具體尺寸為lp=70 mm，h1=1 mm，h2=1 mm，h3=2 mm，h4=15 mm，h5=15 mm。

圖5 天線整體結(jié)構(gòu)(立體圖)

圖6 天線整體結(jié)構(gòu)(側(cè)視圖)

最上方輻射層板選用F4BM265，大小為100 mm×100 mm，厚度為1 mm。輻射貼片位于板子上表面，貼片采用正方形結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)約為f0在介質(zhì)板中相對(duì)波長(zhǎng)的二分之一。

上層泡沫板與下層泡沫板選用PMI 泡沫，厚度皆為15 mm。PMI 泡沫具有如下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)異的力學(xué)性能，比強(qiáng)度高，比模量高，用于固定上下板子，起到支撐的作用，防止天線整體結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中變形受損；優(yōu)良的介電性能，介電常數(shù)為1.17，損耗角正切0.004，在2 GHz～26 GHz 具有很好的寬頻穩(wěn)定性，對(duì)天線輻射性能幾乎沒(méi)有影響；耐熱性能好，熱變形溫度為180～240 ℃，可以適應(yīng)太空中復(fù)雜的溫度環(huán)境。

最下方的金屬底板材料為鋁，厚度為2 mm。信號(hào)在饋電網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，主要的能量通過(guò)H 形縫隙單元向上輻射，也有少部分能量向下方輻射。如果在饋電層板下方不放置金屬底板，則天線方向圖背瓣偏高，前后比變小，輻射性能變差；而放置金屬底板后，向下輻射的能量傳到金屬板后會(huì)進(jìn)行反射，天線增益得到提高，前后比變大，輻射性能變好。

利用仿真軟件進(jìn)行建模仿真，天線回波損耗仿真圖如圖7 所示，天線匹配性能良好，在f0處回波損耗為-14.8 dB，10 dB 帶寬為1.1 GHz～1.68 GHz，共0.58 GHz，相對(duì)帶寬為41.7%。

圖7 天線回波損耗

天線在f0處方向圖仿真圖如圖8 所示，可以看出天線主極化為右旋圓極化，交叉極化為左旋圓極化。在法向方向(角度為0°)時(shí)增益為8.3 dBi(滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)7.5 dBi)，半功率波束寬度為70.8°，天線整體輻射性能良好。

圖8 天線方向圖(f=f0)

天線在f0處軸比仿真圖如圖9 所示，法向方向(角度為0°)軸比為0.7 dB，半功率波束寬度內(nèi)軸比小于3 dB，圓極化性能良好。

天線增益隨頻率變化仿真圖如圖10 所示，可以看出當(dāng)天線增益大于7.5 dBi 且回波損耗小于-10 dB 時(shí)的帶寬為1.2 GHz～1.52 GHz，共0.32 GHz，相對(duì)帶寬為23.5%，天線具備寬帶高增益性能。

圖10 天線增益隨頻率變化圖

2 實(shí)物加工與測(cè)試

按照仿真設(shè)計(jì)對(duì)天線進(jìn)行實(shí)物加工，實(shí)物照片如圖11所示，天線整體尺寸為100 mm×100 mm×34 mm，每層板四角進(jìn)行打孔處理，通過(guò)4 根螺釘進(jìn)行板間連接固定。

圖11 天線實(shí)物圖

對(duì)天線實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)回波損耗和方向圖與仿真值對(duì)比圖如圖12、圖13 所示。回波損耗方面在f0處為-13.4 dB，10 dB 帶寬為1.13 GHz～1.84 GHz，與仿真結(jié)果基本吻合，天線阻抗匹配良好。方向圖方面在法向方向增益為8 dBi，整體輻射性能良好，與仿真結(jié)果相比，天線增益略有下降，可能是由測(cè)試誤差或加工誤差導(dǎo)致。

圖12 天線回波損耗實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

圖13 天線方向圖實(shí)測(cè)值與仿真值對(duì)比

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種星載L 波段寬帶高增益圓極化多層微帶天線。天線采用威爾金森功分移相器通過(guò)H 形縫隙耦合進(jìn)行饋電，結(jié)構(gòu)上采用PMI 泡沫和金屬底板進(jìn)行支撐固定以滿足力學(xué)要求并提高天線增益。天線經(jīng)過(guò)加工測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，其測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，設(shè)計(jì)符合要求。該天線可應(yīng)用于星載L 波段無(wú)線通信系統(tǒng)中，對(duì)星載低頻段大帶寬天線設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。