一種Ka頻段雙頻圓極化天線的設計

王浩禹?袁玉錦?商澤晗?趙安興

摘要：面向Ka頻段高通量衛星對天線的需求，本文設計了一種Ka頻段雙頻段圓極化微帶縫隙天線，天線單元由不對稱U形貼片和開矩形槽的接地板組成，采用微帶線側饋供電，通過微帶線開凹槽實現雙頻帶，加載一對支節和貼片開槽實現圓極化。仿真結果顯示，低頻段的-10dB阻抗帶寬為28.33GHz～30.61GHz，與對應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，與對應3dB軸比帶寬重合度為100%。該天線具有結構簡單，圓極化性能良好等優點。

關鍵詞：Ka頻段；圓極化天線；雙頻帶；軸比

一、引言

隨著傳統衛星工作頻率的逐漸擁擠以及人們對高速通信的需要日益增大，高通量通信衛星正加快投入使用。目前，大多數的高通量通信衛星工作于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用于導航、衛星通信等領域中[1]。微帶天線也具有重量輕、體積小等優點，但頻帶窄一直是它的一個缺陷。同時，在許多實際應用中，往往希望天線能夠在幾個不連續的頻段上工作，以實現更多的功能。

圓極化天線的工作原理是激發兩個相干但振幅相等、相位正交的模式，這可以通過在寬槽或環槽天線中引入對稱或非對稱的擾動模塊來實現。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、開L型槽實現雙頻帶圓極化，其尺寸為40mm×40mm×1.6mm[6]；通過圓形輻射貼片和類T形縫隙實現寬帶圓極化，其尺寸為5.3mm×5.3mm。然而，這些天線的結構復雜，導致天線制造過程復雜[7]。

本論文旨在研究并設計一種針對Ka頻段的雙頻圓極化天線，在實現高增益和較寬帶寬的同時，保持良好的圓極化特性。通過深入分析和研究目前Ka頻段天線設計中所面臨的挑戰和問題，本論文將提出新的設計思路和方法，以期解決當前存在的技術難題，推動Ka頻段雙頻圓極化天線的發展。本文所設計的天線是一種簡單的、工作于Ka頻段的雙頻帶圓極化微帶縫隙天線，由一個矩形槽接地板、一個從接地板突出的水平支節、一個微帶饋線和一個不對稱U型貼片組成，通過在貼片的長臂上開矩形槽，可以實現并增強圓極化性能。

二、天線結構設計

本文提出了一種新型、結構簡單且緊湊的雙頻圓極化天線，天線結構如圖1所示。

該天線印刷在F4BM265介質基板[8]（相對介電常數為2.65）上。F4BM265基板是一種高性能介質基板，具有如下優點：

1.在高頻范圍內具有低損耗和低介電常數的特點，適用于高頻和射頻應用；

2.具有出色的熱穩定性，可以有效抵抗太空低溫環境引起的性能偏差，并支持長時間高功率運行；

3.優良的化學穩定性，在復雜的應用環境中能夠長時間穩定工作，延長設備的使用壽命。

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。地面層印刷在基板底部，并引入了一個大型縫隙，然后在接地板的兩側朝向縫隙中心伸出一對支節，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，支節在兩側的結構，從而減小饋線和地面層之間的耦合強度。U型貼片的長臂為8mm，短臂為7mm，在不對稱U型貼片的長臂上開矩形槽以增強圓極化性能。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構。Ant 1具有基本的縫隙及饋線結構，在Ant 2中通過在微帶線底部開凹槽引入新的諧振頻點，在Ant 3中，在地面層矩形槽兩側加入支節作為擾動結構，以激發兩個正交的諧振模式，來實現圓極化性能[3-5]。一般來說，通過具有相等幅值和90°相位差的兩個正交電場矢量可以產生理想的圓極化。考慮到實際測量結果與模擬結果有偏差，并期望獲得更加理想的電流分布，Ant 4在不對稱U型貼片的長臂上引入矩形槽這一擾動結構來調整不對稱U型貼片的中的電流分布，使得兩個正交電流的幅度趨于相等，從而增強天線的圓極化性能。

三、天線參數優化分析

為了實現寬帶圓極化的良好性能，進行了一系列參數調整，通過逐個改變不同的參數，找出它們對天線性能的影響，并選擇優化的天線尺寸。尤其是對微帶線凹槽和U型貼片上的矩形槽進行了詳細地研究和比較，以找出它們對天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響。本文借助HFSS電磁仿真軟件進行仿真模擬。

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

第二步：不對稱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對圓極化軸比帶寬產生影響，所以這里對開槽長度的分析是在第一步的最佳結果的基礎上進行仿真分析。通過調整不對稱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的耦合強度，從而改變兩個正交電流的幅度。在對圖2的分析中可以看出，加入支節后雖然極大地實現了圓極化，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，實現垂直和水平方向上的振蕩分量，達到更好的圓極化輻射的效果。開槽的尺寸對軸比AR參數具有較大影響。在圓極化性能的優化設計過程中，令W3=1.2mm，L3從0.7mm到0.9mm變化進行仿真模擬。對結果數據進行仿真比較可以得出，當L3=0.6mm時，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的低頻段諧振點的AR參數為1.65dB，L3=0.7mm的低頻段諧振點的AR參數為0.46dB。除此之外，L3=0.7mm與S11優化的諧振頻點相互吻合良好，性能更好。綜合考慮下，選擇L3=0.7mm為最終優化參數。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、天線結果分析

高通量衛星系統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，以便滿足衛星載荷的體積和負載要求，并減少整個系統的重量和成本。本文所提天線的尺寸為20mm×20mm×1mm，能夠滿足設計要求。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，天線增益最高可達4.88dBi；在高頻段（35.44GHz～38.38GHz）范圍內，天線增益在3.39dBi左右。

圖4顯示了優化參數后的S11回波損耗、軸比AR與天線頻率的關系。圖中顯示，該天線在29.54GHz和36.80GHz有兩個諧振點，諧振點處的回波損耗分別為-16.59dB、-27.28dB。天線的饋電結構采用微帶線側饋，微帶線開凹槽之后引入的新的諧振頻點具有較低的損耗且性能良好。

衡量圓極化天線性能的一個重要指標就是軸比AR參數，AR越小，表示天線的圓極化性能越好，一般認為軸比小于3dB為可用。本文的圓極化是通過在接地板加一對支節和U型貼片開槽實現的。天線引入微擾支節可以改變電磁場的分布和相對激勵方式，這種微擾作用會使得電磁場在天線結構內部發生旋轉，從而達到產生或轉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，從而實現更好的圓極化性能。

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、結束語

鑒于Ka頻段雙頻圓極化天線的設計研究較少，本文主要設計了一種新型的微帶縫隙天線，采用微帶線側饋，通過HFSS仿真軟件對天線模型進行大量仿真實驗，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、易于大規模生產等優點，是實際技術應用的有益參考。此外，這種天線也有可以改進和優化的方面，例如進一步優化天線結構以實現更高的性能、探索新的材料和制造工藝等。希望本論文的研究成果能夠為Ka頻段雙頻圓極化天線的設計和應用提供參考，促進相關領域的進一步發展，推動無線通信技術的進步和應用。