Ku／Ka雙頻共口徑微帶陣列天線設(shè)計(jì)

劉洋 董濤 王昕

（北京衛(wèi)星信息工程研究所，北京100086）

1 引言

衛(wèi)星通信的快速發(fā)展對(duì)天線系統(tǒng)提出了更高的要求：多頻段、多極化、寬頻帶、小型化等。共口徑天線可以把頻率、極化特性不同的多個(gè)天線合理設(shè)計(jì)在同一口徑內(nèi)，在保持天線結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，還具有多頻、多極化工作的性能，是衛(wèi)星通信天線未來發(fā)展趨勢。

共口徑天線組陣單元的形式主要有微帶貼片、微帶振子、縫隙等［1］。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一種Ku／Ka雙頻共口徑天線，通過Ka頻段方形微帶貼片和置于其下方空隙處的Ku頻段十字微帶縫隙，實(shí)現(xiàn)了Ku頻段雙線極化和Ka頻段線極化工作。文獻(xiàn)［3］提出了一種Ku／C雙頻天線，由C頻段的十字貼片和對(duì)稱分布在其四周的4個(gè)Ku頻段方形貼片組成，該幾何結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊和模塊化等特點(diǎn)，通過簡單的幾何調(diào)整就可以實(shí)現(xiàn)不同的頻率比。

在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，圓極化天線由于具有抗多徑反射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。但是，在上述的雙頻共口徑天線設(shè)計(jì)中，天線在兩個(gè)頻段均為線極化工作，當(dāng)通信衛(wèi)星天線的極化形式為圓極化時(shí)，將存在極化損失。微帶天線通過切角、表面開槽、正交雙饋等能夠比較方便地實(shí)現(xiàn)圓極化。縫隙耦合饋電也可以實(shí)現(xiàn)圓極化，常見的方法有：在地板開長度不等的交叉十字縫隙；對(duì)兩個(gè)垂直的矩形縫隙正交雙饋等［4-5］。

本文提出了一種Ku／Ka雙頻共口徑微帶陣列天線的新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了Ka頻段天線的圓極化工作和Ku頻段天線的線極化工作。采用平面微帶天線方案，并將兩頻段天線單元共面嵌套放置，滿足飛行器載體對(duì)天線低剖面和小型化的設(shè)計(jì)要求。

2 天線設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想

本文提出的共口徑陣列天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于陣面布局、饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和Ka頻段圓極化的實(shí)現(xiàn)。

天線的陣面布局主要包括天線的單元間距、單元形式以及單元的排列方式。單元間距是陣面布局中需要首先確定的。考慮到Ku、Ka兩個(gè)頻段頻率比約為1∶2，將兩個(gè)頻段的天線單元嵌套放置，使Ku單元間距為Ka單元間距的2倍。Ku頻段單元對(duì)稱放置在4個(gè)Ka頻段單元的中心，采用四角切角形式為Ka頻段單元留出放置空間。兩個(gè)頻段的單元均采用方形貼片。經(jīng)過理論計(jì)算以及仿真優(yōu)化，Ka頻段單元間距為0.7λKa，Ku頻段單元間距為0.75λKu；Ka頻段天線單元邊長為0.3λKa，Ku頻段天線單元邊長為0.35λKu，切角部分為邊長為0.08λKu的正方形。上述單元尺寸和間距恰能使得天線合理緊湊布局。

為了減小不同頻段間的耦合，避免饋線的布線空間不足，采用多層結(jié)構(gòu)將兩個(gè)頻段的饋電網(wǎng)絡(luò)安排在不同的介質(zhì)層上。Ku頻段天線采用微帶線側(cè)饋形式，饋電網(wǎng)絡(luò)與天線單元在同一平面；Ka頻段天線由于貼片單元數(shù)較多，饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，因此將Ka頻段饋電網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)設(shè)計(jì)在下一層上，饋電網(wǎng)絡(luò)位于接地板下方，通過接地板上的縫隙耦合饋電。

本文采用L形縫隙耦合饋電實(shí)現(xiàn)Ka頻段天線的圓極化工作。對(duì)于微帶貼片，當(dāng)采用單個(gè)細(xì)長矩形縫隙耦合饋電時(shí)，可輻射線極化波。而L形縫隙相當(dāng)于組合了兩個(gè)彼此垂直的矩形縫隙。通過調(diào)節(jié)L形縫隙水平、垂直兩臂的長度、寬度，以及饋電點(diǎn)的位置，能夠在微帶貼片上激勵(lì)起兩個(gè)滿足圓極化條件的正交模，從而實(shí)現(xiàn)圓極化工作。

2.2 天線結(jié)構(gòu)

天線結(jié)構(gòu)側(cè)視示意和仿真模型如圖1和圖2所示，天線由輻射貼片單元、饋線、兩層介質(zhì)板、接地板及反射腔構(gòu)成。兩層介質(zhì)板均使用厚度為0.508mm，介電常數(shù)為2.2的Rogers RT 5880材料。兩個(gè)頻段輻射貼片單元位于介質(zhì)板1的上方；Ka頻段饋線位于介質(zhì)板2下面，L形饋電縫隙開在位于兩層介質(zhì)板之間的接地板上；為減小地板開縫帶來的背向輻射，在天線的底部加入一個(gè)高度為四分之一波長的反射腔，改善天線方向圖的前后比，提高天線的增益。

圖1 天線側(cè)視示意Fig.1 Side view of proposed antenna

圖2 天線仿真模型Fig.2 Simulated model of proposed antenna

3 仿真與測試結(jié)果

利用高頻電磁仿真軟件HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化好的天線模型進(jìn)行了加工實(shí)測，仿真與實(shí)測結(jié)果如下。

圖3、圖4分別給出了Ku頻段天線的端口回波損耗S11及方向圖的仿真與實(shí)測結(jié)果比較。由圖3知，Ku頻段天線仿真的阻抗相對(duì)帶寬 （S11＜-10dB）為2.2%，測試結(jié)果為2.1%。與仿真結(jié)果相比，測試的中心頻率偏高約0.01Fc1。由圖4可見，在f＝Fc1處，天線的仿真增益為11.8dB，實(shí)測增益為11.1dB。二者方向圖主瓣基本重合，測試增益略低。介質(zhì)板介電常數(shù)變化、PCB加工誤差等因素可能是造成實(shí)測中心頻率偏高和實(shí)測增益略低的原因。

圖3 Ku頻段天線仿真與測試S11比較Fig.3 Simulated and measured S11of Ku band antenna

圖4 f＝Fc1處主平面方向Fig.4 Radiation patterns at f＝Fc1

圖5 Ka頻段天線仿真與測試S11比較Fig.5 Simulated and measured S11 of Ka band antenna

圖5 ～圖7分別給出了Ka頻段天線的S11、方向圖以及軸比的仿真與實(shí)測結(jié)果比較。由圖5可見，Ka頻段天線仿真的阻抗相對(duì)帶寬為4.3%，實(shí)測結(jié)果為3.4%。實(shí)測相對(duì)帶寬比仿真低0.9%。由圖6可知，在f＝Fc2處天線圓極化仿真增益為18.6dB，實(shí)測為17.6dB。二者的方向圖主瓣基本重合，測試增益略低。圖7顯示了天線仿真的圓極化軸比相對(duì)帶寬為2%，測試軸比帶寬為1.9%。與Ku頻段天線測試結(jié)果相似，Ka頻段天線也出現(xiàn)實(shí)測中心頻率偏高的情況。除上述提到的介電常數(shù)變化和加工誤差等原因外，天線的裝配誤差，如貼片、縫隙、饋線彼此之間未精確對(duì)準(zhǔn)，也會(huì)導(dǎo)致測試結(jié)果與仿真結(jié)果不一致。另外，在微波暗室方向圖測試過程中存在測試誤差，也可能導(dǎo)致天線方向圖測試結(jié)果與仿真結(jié)果不完全一致。

圖6 f＝Fc2處主平面方向圖Fig.6 Radiation pattern at f＝Fc2

圖7 Ka頻段天線軸比隨頻率變化Fig.7 Axial ratio change with frequency at Ka band

4 結(jié)束語

本文提出了一種Ku／Ka雙頻共口徑天線的新設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，口徑利用率高。對(duì)天線的仿真與實(shí)測結(jié)果表明，該天線可分別實(shí)現(xiàn)Ku頻段的線極化和Ka頻段的圓極化工作，實(shí)測與仿真結(jié)果趨勢基本一致，中心頻率略向高頻偏移，仍可滿足通信指標(biāo)要求。下一步可通過修正仿真模型中的介電常數(shù)、控制加工裝配精度等加以改進(jìn)。天線饋電網(wǎng)絡(luò)分層設(shè)計(jì)使得布線空間相對(duì)寬裕，通過陣列單元和饋電網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，可進(jìn)行高增益大型天線陣列的構(gòu)造。該天線設(shè)計(jì)可應(yīng)用于Ku／Ka頻段的衛(wèi)星通信中。

［1］鐘順時(shí)，崔俊海.新型小型化雙頻微帶天線 ［J］.上海大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2002，8（2）：75-77.ZHONG SHUNSHI，CUI JUNHAI.New compact dual-frequency microstrip antenna ［J］.Journal of Shanghai University （Natural Science Edition），2002，8（2）：75-77.

［2］GAO GUOMING，ZHANG YUMEI.Shared-aperture Ku／Ka bands microstrip array feeds for parabolic cylindrical reflector［C］.International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，Chengdu，China，May 8-11，2010：1028-1030.

［3］PENG JUN，WANG GUANGMING，JU ZHIQIN.Development on a dual-frequency antenna at Ku＆C Bands［C］.Microwave Conference Proceedings，Dec.4-7，2005.

［4］鐘順時(shí).微帶天線理論與應(yīng)用 ［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1991：127-150.ZHONG SHUNSHI.Theory and application of microstrip antennas ［M］.Xi′an：Publishing House of Xi′an University，1991：127-150.

［5］薛睿峰，鐘順時(shí).微帶天線圓極化技術(shù)概述與進(jìn)展 ［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，17（4）：331-336.XUE RUIFENG，ZHONG SHUNSHI.Survey and progress in circular polarization technology of microstrip antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（4）：331-336.