星載高增益寬頻帶高指向性陣列天線設計

金宇婷，邢斯瑞，安向東，吳 簡

（長光衛星技術股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

在科技飛速發展的今天，遙感衛星應用領域越來越廣泛，包括國土普查、深空探測、資源勘探、環境監測、減災防災、鐵路選線、地理測繪與調查、農業估產、草原及林區普查等多個領域[1-6]。其中各種電磁設備正不斷向小型化、高集成度、高性能化發展，以滿足系統級的優良性能及不同的功能需求[7-8]。天線作為衛星的收發前端，有著非常重要的地位和意義。

星載天線目前在軌衛星使用的天線形式多種多樣：微帶天線、拋物面天線、波導縫隙天線、偶極子天線、喇叭天線等[9-11]。微帶天線與其他天線相比，具有易集成、低剖面、易共形、易加工、饋電網絡便于與輻射體一體化設計，結構緊湊，一致性好、低成本、適合批量生產等優點[12]。

本文依托吉林一號衛星網絡，設計了一款星載X 波段高增益寬頻帶高指向性微帶陣列天線，可以滿足在星地傳輸時建立穩定的無線鏈路，以完成吉林一號的通信載荷工作。本天線單元和陣列的性能都是優良的，其工作在X 波段，均采用側饋的能量輸入方式，采用縫隙耦合饋電設計提高天線帶寬，采用多層天線設計將輻射層和饋電網絡層分離以減小電磁波串擾和提升分離設計簡約度，同時達到小型化的目的，最后增加金屬反射層以提高天線正向增益和前后比。吉林一號衛星網絡包含多種衛星型號，對通信系統無線傳輸需求極大，此天線可為其數據傳輸提供無線保障，同時也為X 波段高增益寬頻帶高指向性微帶陣列天線設計提供了一種新的思路。

1 天線單元設計與仿真

微帶天線是在介質基板上通過光刻或真空鍍膜技術形成相當于導帶變形的天線輻射單元及其饋電結構。它是一種諧振式天線，其諧振特性類似于高Q 值并聯諧振電路，所以傳統微帶天線的頻帶較窄，通常只有2%左右[13]。因此就誕生了很多拓展微帶天線帶寬的技術方法，如增加介質板的厚度、降低介質板的介電常數、采用有耗介質、饋電線路采用寬帶阻抗匹配方式、采用新型介質基片材料、增加諧振點等[14]。綜合考慮設計實現難易度、工程實現難易度、產品性能指標等方面，本設計采用第六種方法通過多層天線設計，以縫隙耦合饋電增加諧振點，使其頻率各不相同，但又相互交叉，以達到拓展帶寬的目的。

縫隙耦合饋電的微帶天線可根據縫隙的不同形狀得到不同的天線性能。如增加縫隙面積可以增大饋電網絡與輻射貼片的有效耦合面積，增大天線輻射效率；改變縫隙形狀可以控制電流分布來增減諧振點數，增大天線工作帶寬[15]。本文設計的天線單元為5 層：第一、三層為介質層，第二、四層為介質-空氣架高層，第五層為金屬反射層。輻射貼片在第一層介質層上表面，第三層上表面覆銅作為天線的地，其中有1 個H 型縫隙，介質板下表面為饋電層，電磁能量經SMA 接頭輸入給饋電網絡，再經過地層的H 型縫隙耦合給微帶貼片，經空間輻射出去。微帶天線單元采用正方向貼片原型，其邊長理論值為：

式中：f為設計天線的工作頻率9.6 GHz；εr為是介質基板的相對介電常數，本文采用F4BM220，介電常數為2.2，損耗角正切為0.001，可根據式（1）計算天線模型的原始尺寸。

天線單元整體結構如圖1 所示，其中各個尺寸數值如下：a=9.55 mm，h1=0.762 mm，h2=2.8 mm，h3=0.254 mm，h4=3.1 mm，h5=2 mm。天線縫隙耦合饋電結構如圖2 所示，其中各個尺寸數值如下：m1=0.95 mm，m2=0.53 mm，m3=4 mm，m4=3.67 mm。端口1 為能量輸入端口。

圖1 天線單元整體結構圖

圖2 天線單元饋電結構圖

利用仿真軟件進行電磁建模仿真，天線單元回波損耗結果如圖3 所示。由圖可知，在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-37.4 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內回波損耗≤-37 dB，-10 dB 天線帶寬為8.53～10.47 GHz，共1.94 GHz，相對帶寬為20.2%，天線單元匹配性能良好。由此可見，縫隙耦合饋電方式對微帶天線的頻帶展寬有著顯著效果。

圖3 天線單元回波損耗仿真結果圖

圖4 為天線單元方向圖的仿真結果。由圖可知，在中心頻率法向方向增益為9 dB，前后比為27.2 dB，半功率波瓣寬度E 面為55°，H 面為62.5°。圖5 為天線單元增益隨頻率變化的仿真結果。由圖可知，在中心頻點9.6 GHz 處增益為9 dB，在9.4 GHz 到9.8 GHz 工作頻段內，增益曲線平滑，均大于8.7 dB，可見天線單元輻射性能良好。

圖4 天線單元方向圖仿真結果圖

圖5 天線單元增益隨頻率變化仿真結果圖

2 陣列天線的設計、仿真與實測

本文基于上述天線單元的設計思路，設計了一款64單元和256 單元的X 波段高增益寬頻帶微帶陣列天線。陣列天線采用SMA 側饋設計，便于安裝與測試調試。陣列天線中天線單元間距的選擇非常重要。間距越大，陣列天線的增益越大、各輻射貼片和饋電線之間的耦合越小，但波束寬度會減小，柵瓣會相應增大，影響陣列天線的輻射性能；反之，間距越小，陣列天線的增益越小、各輻射貼片和饋電線之間的耦合越大，但波束寬度會增大，柵瓣會相應減小[16]。通常陣列天線的單元間距介于0.5λ～0.7λ之間，本文設計取0.6λ，λ為中心頻率在自由空間輻射時的電磁波波長。陣列天線的結構如圖6所示。

圖6 陣列天線尺寸結構圖

由于陣元數為2N個，因此64 單元的天線陣列饋電網絡采用六級1 分2 功分網絡實現，通過四分之一波長阻抗變換結構實現鄰近兩級饋電網絡的連接。陣列天線整體饋電結構如圖6 所示，為方便說明，將饋電層、地層和輻射層在同一層顯示。其中各個尺寸數值如下：l1=0.95 mm，l2=4.21 mm，l3=1.44 mm，dx=18.8 mm，dy=18.8 mm。

64 單元陣列天線經加工后組裝，在暗室中對其性能進行測試，將結果與仿真結果進行比對。圖7 為陣列天線回波損耗的仿真與實測結果。由圖可知，仿真時在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-18 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內回波損耗≤-18 dB，-10 dB 天線帶寬可達1.16 GHz，相對帶寬為12%。實測時在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-16.16 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內回波損耗≤-13.5 dB，-10 dB 天線帶寬可達0.74 GHz，相對帶寬為7.7%，陣列天線實現了良好匹配。圖8 為陣列天線方向圖的仿真與實測結果。由圖可知，仿真時在中心頻率法向方向增益為22 dB，前后比為37 dB，半功率波瓣寬度為10°。實測時在中心頻率法向方向增益為20.2 dB，前后比為23 dB，半功率波瓣寬度為10.2°。可見，陣列天線實測數據與仿真數據基本吻合。圖9 為64 單元陣列天線加工實物照片。

圖7 64 單元陣列天線回波損耗仿真與實測圖

圖8 64 單元陣列天線方向圖仿真與實測圖

圖9 64 單元陣列天線實物圖

64 單元陣列天線測試結果優良，證明設計合理，現根據衛星總體指標，拓展設計256 單元的大型陣列天線，其饋電方式采用八級1 分2 功分網絡實現，與圖6 所示饋電結構相仿，經過電磁仿真軟件仿真設計優化，調節多組參數，使其性能達到最優。仿真結果如圖10 和圖11 所示，256 單元陣列天線仿真時在工作頻帶9.4～9.8 GHz 內回波損耗≤-18 dB，-10 dB 相對帶寬可達10%以上，可見陣列天線實現了良好匹配。在中心頻率9.6 GHz 處法向增益為27.5 dB，前后比為30.6 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2 °，H 面為2.6 °，天線空間指向性較好。經加工后組裝測試如圖12 所示，天線在工作頻帶9.4～9.8 GHz 內回波損耗≤-14.5dB，-10 dB 天線帶寬較寬，可滿足10%以上，可見陣列天線整體實現了50 Ω的良好匹配。在中心頻率9.6 GHz 處法向增益為25.9 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2o，H 面為2.53o。可見，陣列天線實測數據與仿真數據基本吻合。

圖10 256 單元陣列天線回波損耗仿真與實測圖

圖11 256 單元陣列天線方向圖仿真與實測圖

3 結論

本文設計了一款64 單元和256 單元的星載X 波段高增益寬頻段微帶陣列天線。陣列天線采用側饋的能量輸入方式，采用縫隙耦合饋電的設計提高了天線帶寬，采用多層天線設計將輻射層和饋電網絡層分離以減小電磁波串擾和提升分離設計簡約度，同時達到小型化的目的，最后增加金屬反射層以提高天線正向增益和前后比。64 單元和256 單元陣列天線均加工后測試。小陣列天線工作頻帶內回波損耗≤-13.5 dB，-10 dB 天線帶寬可達0.74 GHz，相對帶寬為7.7%，法向增益為20.2 dB，前后比為23 dB，半功率波瓣寬度為10.2°。大陣列天線工作頻帶內回波損耗≤-14.5 dB，-10 dB 天線帶寬較寬，可滿足10%以上，法向增益為25.9 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2°，H 面為2.53°。天線測試結果與仿真結果基本一致，驗證了設計的合理性。吉林一號衛星網絡包含多種衛星型號，對通信系統無線傳輸需求極大，此天線可為其數據傳輸提供無線保障，同時也對X 波段高增益寬頻帶微帶陣列天線的設計有一定的指導意義。