一種Ka頻段雙頻圓極化天線的設(shè)計(jì)

王浩禹?袁玉錦?商澤晗?趙安興

摘要：面向Ka頻段高通量衛(wèi)星對(duì)天線的需求，本文設(shè)計(jì)了一種Ka頻段雙頻段圓極化微帶縫隙天線，天線單元由不對(duì)稱U形貼片和開矩形槽的接地板組成，采用微帶線側(cè)饋供電，通過微帶線開凹槽實(shí)現(xiàn)雙頻帶，加載一對(duì)支節(jié)和貼片開槽實(shí)現(xiàn)圓極化。仿真結(jié)果顯示，低頻段的-10dB阻抗帶寬為28.33GHz～30.61GHz，與對(duì)應(yīng)3dB軸比帶寬重合度為50.5%；高頻段的-10dB阻抗帶寬為35.44GHz～38.38GHz，與對(duì)應(yīng)3dB軸比帶寬重合度為100%。該天線具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，圓極化性能良好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：Ka頻段；圓極化天線；雙頻帶；軸比

一、引言

隨著傳統(tǒng)衛(wèi)星工作頻率的逐漸擁擠以及人們對(duì)高速通信的需要日益增大，高通量通信衛(wèi)星正加快投入使用。目前，大多數(shù)的高通量通信衛(wèi)星工作于Ka頻段。由于圓極化天線在抑制雨霧干擾、接收空間電磁波等方面的良好性能，圓極化天線被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域中[1]。微帶天線也具有重量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但頻帶窄一直是它的一個(gè)缺陷。同時(shí)，在許多實(shí)際應(yīng)用中，往往希望天線能夠在幾個(gè)不連續(xù)的頻段上工作，以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

圓極化天線的工作原理是激發(fā)兩個(gè)相干但振幅相等、相位正交的模式，這可以通過在寬槽或環(huán)槽天線中引入對(duì)稱或非對(duì)稱的擾動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)。微帶縫隙天線一般可通過改變縫隙和輻射貼片的形狀及位置來獲得圓極化[2-7]。通過雙矩形疊加的貼片、添加L型支節(jié)、開L型槽實(shí)現(xiàn)雙頻帶圓極化，其尺寸為40mm×40mm×1.6mm[6]；通過圓形輻射貼片和類T形縫隙實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化，其尺寸為5.3mm×5.3mm。然而，這些天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致天線制造過程復(fù)雜[7]。

本論文旨在研究并設(shè)計(jì)一種針對(duì)Ka頻段的雙頻圓極化天線，在實(shí)現(xiàn)高增益和較寬帶寬的同時(shí)，保持良好的圓極化特性。通過深入分析和研究目前Ka頻段天線設(shè)計(jì)中所面臨的挑戰(zhàn)和問題，本論文將提出新的設(shè)計(jì)思路和方法，以期解決當(dāng)前存在的技術(shù)難題，推動(dòng)Ka頻段雙頻圓極化天線的發(fā)展。本文所設(shè)計(jì)的天線是一種簡(jiǎn)單的、工作于Ka頻段的雙頻帶圓極化微帶縫隙天線，由一個(gè)矩形槽接地板、一個(gè)從接地板突出的水平支節(jié)、一個(gè)微帶饋線和一個(gè)不對(duì)稱U型貼片組成，通過在貼片的長臂上開矩形槽，可以實(shí)現(xiàn)并增強(qiáng)圓極化性能。

二、天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出了一種新型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且緊湊的雙頻圓極化天線，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該天線印刷在F4BM265介質(zhì)基板[8]（相對(duì)介電常數(shù)為2.65）上。F4BM265基板是一種高性能介質(zhì)基板，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.在高頻范圍內(nèi)具有低損耗和低介電常數(shù)的特點(diǎn)，適用于高頻和射頻應(yīng)用；

2.具有出色的熱穩(wěn)定性，可以有效抵抗太空低溫環(huán)境引起的性能偏差，并支持長時(shí)間高功率運(yùn)行；

3.優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境中能夠長時(shí)間穩(wěn)定工作，延長設(shè)備的使用壽命。

天線由頂部的50Ω微帶饋線供電，并且在微帶線頂部開寬度W2為1mm、長度L2為4mm的凹槽來引入新的頻點(diǎn)。地面層印刷在基板底部，并引入了一個(gè)大型縫隙，然后在接地板的兩側(cè)朝向縫隙中心伸出一對(duì)支節(jié)，其長度L8為4mm，寬度W1為1mm。形成饋線及貼片在基板頂部的中間，支節(jié)在兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，從而減小饋線和地面層之間的耦合強(qiáng)度。U型貼片的長臂為8mm，短臂為7mm，在不對(duì)稱U型貼片的長臂上開矩形槽以增強(qiáng)圓極化性能。天線厚度為1mm，整體尺寸為20mm×20mm×1mm[9] 。

圖2展示了所提議天線的演變過程，以解釋天線的圓極化性能。這里討論了四個(gè)天線，即Antenna 1（Ant 1）、Antenna 2（Ant 2）、Antenna 3（Ant 3）和Antenna 4（Ant 4）。Ant 4是本篇論文提出的天線結(jié)構(gòu)。Ant 1具有基本的縫隙及饋線結(jié)構(gòu)，在Ant 2中通過在微帶線底部開凹槽引入新的諧振頻點(diǎn)，在Ant 3中，在地面層矩形槽兩側(cè)加入支節(jié)作為擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，以激發(fā)兩個(gè)正交的諧振模式，來實(shí)現(xiàn)圓極化性能[3-5]。一般來說，通過具有相等幅值和90°相位差的兩個(gè)正交電場(chǎng)矢量可以產(chǎn)生理想的圓極化?？紤]到實(shí)際測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果有偏差，并期望獲得更加理想的電流分布，Ant 4在不對(duì)稱U型貼片的長臂上引入矩形槽這一擾動(dòng)結(jié)構(gòu)來調(diào)整不對(duì)稱U型貼片的中的電流分布，使得兩個(gè)正交電流的幅度趨于相等，從而增強(qiáng)天線的圓極化性能。

三、天線參數(shù)優(yōu)化分析

為了實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化的良好性能，進(jìn)行了一系列參數(shù)調(diào)整，通過逐個(gè)改變不同的參數(shù)，找出它們對(duì)天線性能的影響，并選擇優(yōu)化的天線尺寸。尤其是對(duì)微帶線凹槽和U型貼片上的矩形槽進(jìn)行了詳細(xì)地研究和比較，以找出它們對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響。本文借助HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真模擬。

第一步：微帶線凹槽長度的影響。影響諧振點(diǎn)位置的主要是微帶線的細(xì)縫，因此在天線諧振點(diǎn)和回波損耗的優(yōu)化過程中，對(duì)細(xì)縫的尺寸進(jìn)行了仿真優(yōu)化，采用控制變量的方法，令W2為1mm，L2從3.9mm增加到4.1mm仿真。從模擬結(jié)果可以看出，L2主要影響低頻諧振點(diǎn)的位置和-10dB阻抗帶寬，對(duì)高頻點(diǎn)的損耗和諧振位置影響不大。當(dāng)L2=4.1mm時(shí)，低頻點(diǎn)的損耗較高；當(dāng)L2降低時(shí)，回波損耗有所改善；但當(dāng)L2=3.9mm時(shí)，高頻點(diǎn)的損耗又會(huì)升高。綜合考慮下，選擇L2=4mm作為最佳尺寸，此時(shí)低頻諧振點(diǎn)為29.54GHz，回波損耗為-16.59dB；高頻諧振點(diǎn)為36.80GHz，回波損耗為-27.28dB。

第二步：不對(duì)稱U型貼片長臂開槽長度的影響。同樣采用控制變量的方法，但考慮到微帶線凹槽長度也會(huì)對(duì)圓極化軸比帶寬產(chǎn)生影響，所以這里對(duì)開槽長度的分析是在第一步的最佳結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析。通過調(diào)整不對(duì)稱U型貼片的矩形槽的尺寸，可以改變U型貼片和接地板支節(jié)的耦合強(qiáng)度，從而改變兩個(gè)正交電流的幅度。在對(duì)圖2的分析中可以看出，加入支節(jié)后雖然極大地實(shí)現(xiàn)了圓極化，但低頻段的圓極化性能仍不盡如人意，因而考慮在不對(duì)稱U形貼片上開槽，改變貼片表面的電流分布，從而改變相位差，實(shí)現(xiàn)垂直和水平方向上的振蕩分量，達(dá)到更好的圓極化輻射的效果。開槽的尺寸對(duì)軸比AR參數(shù)具有較大影響。在圓極化性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，令W3=1.2mm，L3從0.7mm到0.9mm變化進(jìn)行仿真模擬。對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真比較可以得出，當(dāng)L3=0.6mm時(shí)，低頻段的圓極化軸比最低為2.63dB，但3dB軸比帶寬較窄，L3=0.7mm和L3=0.7mm的3dB軸比帶寬都較寬，但L3=0.7mm的低頻段諧振點(diǎn)的AR參數(shù)為1.65dB，L3=0.7mm的低頻段諧振點(diǎn)的AR參數(shù)為0.46dB。除此之外，L3=0.7mm與S11優(yōu)化的諧振頻點(diǎn)相互吻合良好，性能更好。綜合考慮下，選擇L3=0.7mm為最終優(yōu)化參數(shù)。低頻段S11<-10dB的范圍可以完全包圍圓極化頻段且性能良好。

四、天線結(jié)果分析

高通量衛(wèi)星系統(tǒng)需要搭載大量的天線單元，因此天線的小型化和輕量化非常重要，以便滿足衛(wèi)星載荷的體積和負(fù)載要求，并減少整個(gè)系統(tǒng)的重量和成本。本文所提天線的尺寸為20mm×20mm×1mm，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。天線在29.54GHz處主極化為右旋圓極化，在36.80GHz處主極化為左旋圓極化。在ψ=0°，θ=0°方向上，低頻段（28.33GHz～30.61GHz）頻率范圍內(nèi)，天線增益最高可達(dá)4.88dBi；在高頻段（35.44GHz～38.38GHz）范圍內(nèi)，天線增益在3.39dBi左右。

圖4顯示了優(yōu)化參數(shù)后的S11回波損耗、軸比AR與天線頻率的關(guān)系。圖中顯示，該天線在29.54GHz和36.80GHz有兩個(gè)諧振點(diǎn)，諧振點(diǎn)處的回波損耗分別為-16.59dB、-27.28dB。天線的饋電結(jié)構(gòu)采用微帶線側(cè)饋，微帶線開凹槽之后引入的新的諧振頻點(diǎn)具有較低的損耗且性能良好。

衡量圓極化天線性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是軸比AR參數(shù)，AR越小，表示天線的圓極化性能越好，一般認(rèn)為軸比小于3dB為可用。本文的圓極化是通過在接地板加一對(duì)支節(jié)和U型貼片開槽實(shí)現(xiàn)的。天線引入微擾支節(jié)可以改變電磁場(chǎng)的分布和相對(duì)激勵(lì)方式，這種微擾作用會(huì)使得電磁場(chǎng)在天線結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到產(chǎn)生或轉(zhuǎn)換為圓極化輻射的效果。而U型貼片則通過改變貼片表面電流分布來改變相位差，從而實(shí)現(xiàn)更好的圓極化性能。

仿真顯示，低頻段阻抗帶寬為28.33GHz～30.61GHz，3dB軸比帶寬為28.82GHz～29.88GHz，它們的重合度為50.5%；高頻段阻抗帶寬35.44GHz～38.38GHz，3dB軸比帶寬34.41GHz～38.40GHz，它們的重合度為100%。兩個(gè)頻段的天線回波損耗S11小于-10dB的頻段均可覆蓋軸比小于3dB的范圍，圓極化性能良好。

五、結(jié)束語

鑒于Ka頻段雙頻圓極化天線的設(shè)計(jì)研究較少，本文主要設(shè)計(jì)了一種新型的微帶縫隙天線，采用微帶線側(cè)饋，通過HFSS仿真軟件對(duì)天線模型進(jìn)行大量仿真實(shí)驗(yàn)，最后得到了阻抗帶寬為28.33GHz～30.61GHz，3dB軸比帶寬為28.82GHz～29.88GHz和阻抗帶寬35.44GHz～38.38GHz，3dB軸比帶寬34.41GHz～38.40GHz的雙頻段圓極化天線。這種天線具有體積小、重量輕、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)際技術(shù)應(yīng)用的有益參考。此外，這種天線也有可以改進(jìn)和優(yōu)化的方面，例如進(jìn)一步優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)更高的性能、探索新的材料和制造工藝等。希望本論文的研究成果能夠?yàn)镵a頻段雙頻圓極化天線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，推動(dòng)無線通信技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。