Ka波段衛(wèi)星通信雙極化微帶陣列天線(xiàn)研究

李君

摘要：對(duì)混合饋電結(jié)構(gòu)的兩種饋電方式的傳輸模型進(jìn)行分析，確定縫隙的形式“H”型縫隙；然后介紹介質(zhì)基板的選和微帶貼片的解析計(jì)算方法，確定天線(xiàn)的初始尺寸；研究了Ka波段雙極化微帶天線(xiàn)4*4陣列的設(shè)計(jì)方法。最后對(duì)無(wú)過(guò)孔雙極化微帶天線(xiàn)陣列和加載過(guò)孔雙極化微帶天線(xiàn)陣列的結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析。測(cè)試結(jié)果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于3.0，端口隔離優(yōu)于-40dB，增益優(yōu)于17dB。

關(guān)鍵詞：Ka波段；雙極化；衛(wèi)星通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）04-0019-05

1 引言

Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz，Ka頻段具有可用帶寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點(diǎn)。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級(jí)寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(hù)（DTH）業(yè)務(wù)及個(gè)人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段?，F(xiàn)代衛(wèi)星通信頻譜資源日益緊張，雙極化微帶天線(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，同時(shí)發(fā)射或接收兩個(gè)正交極化的電磁波，通信容量增大一倍，實(shí)現(xiàn)極化分集接收，減小多徑傳播影響，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)衛(wèi)星通信，研究雙極化微帶天線(xiàn)很有必要。Ka波段，雙極化微帶陣列和雙極化波導(dǎo)縫隙陣列，可實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)，但是一直沒(méi)有得到應(yīng)用。制約其發(fā)展的很大因素是加工工藝問(wèn)題。本文在傳統(tǒng)固定極化單脈沖天線(xiàn)的背景下，研究了Ka波段雙極化微帶單脈沖天線(xiàn)陣列。

2 混合饋電雙極化微帶天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)

本文確定采用微帶混合饋電方式實(shí)現(xiàn)Ka波段雙極化特性，微帶貼片采用方形貼片，饋電方式采用混合饋電?？紤]實(shí)際制板因素，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程考慮介質(zhì)基板、粘結(jié)膠等影響因子。下面介紹雙極化微帶天線(xiàn)單元的設(shè)計(jì)過(guò)程。

2.1 介質(zhì)基板的選取

微帶天線(xiàn)的設(shè)計(jì)首先需要選擇合適的介質(zhì)基板，其性能對(duì)天線(xiàn)性能指標(biāo)影響很大。介質(zhì)基板的選擇主要依據(jù)兩個(gè)方面[3]：材料屬性和幾何屬性。材料屬性包含介質(zhì)基板的介電常數(shù)、損耗角正切等；幾何屬性主要是介質(zhì)板的厚度。一般情況，隨著介質(zhì)基板的介電常數(shù)的升高，天線(xiàn)的尺寸會(huì)減小，天線(xiàn)帶寬也變??；損耗正切值與天線(xiàn)的效率直接相關(guān)，它決定于材料特性、工作頻率、基板厚度等因素。

基板厚度與天線(xiàn)的工作帶寬、交叉極化性能和天線(xiàn)整體尺寸相關(guān)，并且基板的厚度受到板材規(guī)格的限制。一般情況，隨著基板厚度的增大，天線(xiàn)輻射效率提高，工作帶寬展寬，但是表面波輻射也會(huì)增大。

總之，基板的介電常數(shù)、損耗角正切和介質(zhì)基板厚度對(duì)天線(xiàn)的輻射特性、匹配特性等性能的影響是直接的。但是上述性能往往又是彼此相互制約的，因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇[4]。本文設(shè)計(jì)中三層介質(zhì)基板Die1、Die2和Die3均采用Rogers RT/ Duroid 5880聚四氟乙烯作為介質(zhì)基板材料，厚度為10mil。選用此規(guī)格介質(zhì)基板的原因主要有兩點(diǎn)：

1） Ka波段，Rogers 5880的損耗角正切值較小，饋電網(wǎng)絡(luò)引起的損耗較小，一般為，天線(xiàn)輻射效率較高。

2） 選用厚度為10mil的規(guī)格，主要出于對(duì)天線(xiàn)單元的匹配特性和陣列功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的綜合考慮。厚度較厚便于天線(xiàn)單元共面微帶饋電的匹配，但是陣列功分網(wǎng)絡(luò)將會(huì)存在較寬的微帶匹配段，引入較大互耦，也會(huì)引起較大的寄生輻射，降低天線(xiàn)性能。

相對(duì)于介質(zhì)基板的選擇，粘結(jié)膠的選擇自由度較小，主要考慮板材的粘合度、應(yīng)用環(huán)境以及粘結(jié)膠的加工特性，由PCB加工廠商提供。本應(yīng)用中J1和J2采用介電常數(shù)為2.6，厚度為0.1mm的Fastprise FR28。至此，介質(zhì)基板均已確定，下面介紹微帶輻射貼片的設(shè)計(jì)。

2.2 微帶輻射貼片設(shè)計(jì)

本文輻射貼片選用方形貼片，方形貼片的理論已很成熟，也有利于天線(xiàn)的交叉極化性能和匹配特性。設(shè)矩形貼片的長(zhǎng)為W，寬為L(zhǎng)，下面是矩形微帶輻射貼片的計(jì)算公式：

初步確定輻射貼片尺寸，不考慮由于粘結(jié)膠引起的等效介電常數(shù)的變化，取中心頻率，介電常數(shù)可計(jì)算出W=3.37mm，L=2.67mm。由于本文設(shè)計(jì)的輻射貼片采用方形貼片，為了實(shí)現(xiàn)雙極化，方形的兩條邊均作為輻射邊，故輻射貼片的邊長(zhǎng)選用2.67mm。

3 微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)

在陣列設(shè)計(jì)時(shí)，陣列單元、陣元間距、陣列單元排布形式、陣列單元饋電權(quán)值、饋電網(wǎng)絡(luò)形式等均需要確定。本文設(shè)計(jì)16單元陣列，均勻分布，且等幅同相饋電，陣元間距和饋電網(wǎng)絡(luò)的形式需要進(jìn)一步確定。

3.1 陣列饋電方式選取

饋電網(wǎng)絡(luò)的主要目的是給予天線(xiàn)單元所需要的激勵(lì)電流幅度和相位，達(dá)到陣列綜合的目的。選取饋電網(wǎng)絡(luò)形式的主要原則有：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易匹配、損耗小、帶寬等。陣列饋電形式主要有并聯(lián)饋電（圖1（a））和串聯(lián)饋電（圖1（b））兩種形式，以及兩者組合饋電。兩中饋電方式各有優(yōu)勢(shì)。

并聯(lián)饋電設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，各陣元所要求電流激勵(lì)幅度和相位容易分配。并聯(lián)饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列單元相對(duì)獨(dú)立，這為陣列綜合提供了很好的設(shè)計(jì)前提，并且容易實(shí)現(xiàn)寬帶匹配。但是，這種饋電占用空間較大，隨著陣元增多，饋線(xiàn)長(zhǎng)度增加很快，損耗變大，因此大型陣列不宜使用。

串聯(lián)饋電是將天線(xiàn)陣元用微帶傳輸線(xiàn)串聯(lián)連接起來(lái)，此時(shí)對(duì)饋電的主傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)，每一天線(xiàn)陣元都等效于一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。串饋陣列各單元互相影響，設(shè)計(jì)復(fù)雜，帶寬也比較窄。但是，相比并聯(lián)饋電，串聯(lián)饋電有以下優(yōu)點(diǎn)：饋線(xiàn)長(zhǎng)度短，由饋線(xiàn)引入的散射和輻射損耗較小，提高了天線(xiàn)效率；貼片單元排列緊湊，空間利用性好，利于饋電網(wǎng)絡(luò)放置；不用單獨(dú)設(shè)計(jì)饋電網(wǎng)絡(luò)。

3.2 饋電間距選定

陣元間隔的選擇主要從兩方面來(lái)考慮：既要使單元的個(gè)數(shù)盡可能多從而提高幾何口徑利用率和天線(xiàn)的增益，同時(shí)也要考慮互耦的影響。 按格林函數(shù)法分析四元陣系統(tǒng)的結(jié)果（如圖2所示）表明：當(dāng)單元間距[d=0.8λ0]時(shí)能獲得最大方向性系數(shù)，而當(dāng)[d=0.76λ0]時(shí)能獲得最大增益。

互耦的影響可通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x取單元間距d來(lái)處理。典型的單元間距應(yīng)該使得E面耦合系數(shù)[S212<-20dB]，H面耦合系數(shù)[S212<-25dB]。綜合以上兩方面以及天線(xiàn)口徑的限制，選取的單元間距[d=6.5mm=0.765λ0]。

4 微帶陣列仿真分析

4. 1 陣列優(yōu)化流程

為了提高設(shè)計(jì)效率，利用Ansys Designer作為主要的設(shè)計(jì)工具，借助Auto CAD強(qiáng)大的制圖功能進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，最后利用Ansys HFSS進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

4.2 無(wú)過(guò)孔雙極化微帶天線(xiàn)陣列仿真

經(jīng)過(guò)前文的論證，確定陣列饋電選用并聯(lián)饋電方式，其中2×2陣列中，共面饋電采用反相并聯(lián)饋電，耦合饋電采用同相并聯(lián)饋電，單元間距采用0.765λ0。下面利用Ansys designer對(duì)4×4雙極化微帶陣列優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明。Ansys designer仿真模型如圖3所示。

從模型中可以看出在4×4雙極化微帶陣列中，耦合饋電采用了上下反相饋電技術(shù)，修正了部分結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)性，但是正如前文所述，180°相移段會(huì)引入色散效應(yīng)，在仿真結(jié)果中可以看出。共面饋電主要采用左右反相饋電技術(shù)，同時(shí)上下鏡像來(lái)修正結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，從而改善交叉極化性能，但是色散效應(yīng)依然不可避免。天線(xiàn)的外形尺寸為50mm×50mm，天線(xiàn)總厚度為1.034mm。

利用Ansys Designer對(duì)雙極化微帶天線(xiàn)的匹配特性和輻射特性進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果如下列表所示。駐波隨頻率變化曲線(xiàn)如圖4（a）所示，駐波比（<2.0）帶寬，水平極化端口約為1.78%，垂直極化端口優(yōu)于2.6%，可見(jiàn)耦合饋電帶寬比共面直饋?zhàn)杩箮拰挘欢丝诟綦x度如圖4（b）所示，在34.6GHz～35.4GHz帶寬內(nèi)均優(yōu)于-30dB，有著良好的端口隔離度。

圖5為雙極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)，其中（a）為水平極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)，（b）為垂直極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)。從中很容易發(fā)現(xiàn)，水平極化增益整體優(yōu)于垂直極化增益約2dB，與單元仿真情況相符合。

圖6為雙極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)，其中（a）為水平極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)，（b）為垂直極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)。兩種極化方式的交叉極化在頻帶內(nèi)均優(yōu)于-27dB，能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求。

指標(biāo) 頻率＼端口＼&34.6GHz＼&35 GHz＼&35.4GHz＼&H_Port＼&V_Port＼&H_Port＼&V_Port＼&H_Port＼&V_Port＼&駐波＼&2.14＼&1.85＼&1.21＼&1.03＼&1.83＼&1.62＼&增益（dB）＼&17.58＼&16.40＼&18.95＼&17.17＼&19.27＼&17.40＼&副瓣電平（dB）＼&-12.9＼&-11.7＼&-14.7＼&-12.2＼&-15.0＼&-11.8＼&交叉極化（dB）＼&-30.7＼&-32.5＼&-28.3＼&-31.2＼&-30.3＼&-29.7＼&端口隔離（dB）＼&-37.0＼&-32.9＼&-31.3＼&]

通過(guò)表1比分析，兩種極化駐波帶寬分別為1.75%、2.6%；水平極化增益優(yōu)于17.5dB，垂直極化增益優(yōu)于16.4dB，兩種極化增益相差約2dB；副瓣電平均接近或優(yōu)于-12dB；交叉隔離均接近或優(yōu)于-30dB；端口隔離均優(yōu)于-30dB。所列舉指標(biāo)中，最明顯的缺陷便是垂直極化增益偏低，在單元仿真中給出了導(dǎo)致這個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)原因，下面針對(duì)第二個(gè)問(wèn)題提出一種解決方案。

4. 3 加載過(guò)孔雙極化微帶天線(xiàn)陣列仿真

加載過(guò)孔雙極化微帶天線(xiàn)陣列仿真模型和層結(jié)構(gòu)示意如圖7所示，其中（a）為HFSS仿真模型45°等角視，（b）為仿真模型的俯視，（c）為層結(jié)構(gòu)示意。如（c）中所示層結(jié)構(gòu)：Die表示為介質(zhì)基板，仍然選用介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的Rogers 5880；粘結(jié)膠即為前文提到的FR28半固化片，介電常數(shù)為2.6，厚度為0.1mm；layer**表示金屬層，**標(biāo)號(hào)為層標(biāo)號(hào)，從上至下依次為01～04；Via表示金屬過(guò)孔或者機(jī)械通孔，其中機(jī)械通孔即天線(xiàn)安裝孔，對(duì)天線(xiàn)性能影響甚微，故仿真模型中未考慮在內(nèi)。

利用Ansys Designer對(duì)雙極化微帶天線(xiàn)的匹配特性和輻射特性進(jìn)行仿真優(yōu)化，并利用Ansys HFSS進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者仿真結(jié)果相仿，具體仿真結(jié)果如下列表所示。駐波隨頻率變化曲線(xiàn)如圖8（a）所示，駐波比（<2.0），水平極化帶寬約為1.7%，垂直極化優(yōu)于2.15%，相比無(wú)過(guò)孔模型，共面直接饋電的駐波帶寬變化較小，耦合饋電帶寬有所下降；端口隔離度如圖8（b）所示，在34.6GHz～35.4GHz帶寬內(nèi)均優(yōu)于-40dB，有著良好的端口隔離度。

圖9為雙極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)，其中（a）為水平極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)，（b）為垂直極化增益隨頻率變化曲線(xiàn)。水平極化增益與垂直極化增益相差約0.4dB，相比圖4所示有了很大改善。而且水平極化在2.28%帶寬內(nèi)，增益最大不平度為0.58dB，垂直極化的不平度為0.5dB，增益平坦度性能優(yōu)良。

圖9為雙極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)，其中（a）為水平極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)，（b）為垂直極化交叉極化隨頻率變化曲線(xiàn)。交叉極化曲線(xiàn)是選取E面和H面交叉極化較差的一維擬合的曲線(xiàn)，兩種極化方式的交叉極化在頻帶內(nèi)均優(yōu)于-27dB，性能優(yōu)良，符合實(shí)際需求。

指標(biāo) 頻率＼端口＼&34.6GHz＼&35 GHz＼&35.4GHz＼&H_Port＼&V_Port＼&H_Port＼&V_Port＼&H_Port＼&V_Port＼&駐波＼&2.42＼&2.05＼&1.11＼&1.10＼&2.34＼&2.14＼&增益（dB）＼&18.3＼&17.9＼&18.8＼&18.4＼&18.8＼&18.3＼&副瓣電平（dB）＼&-13.0＼&-11.6＼&-13.3＼&-12.2＼&-11.9＼&-12.1＼&交叉極化（dB）＼&-31.1＼&-39.8＼&-29.7＼&-35.7＼&-27.8＼&-36.2＼&端口隔離（dB）＼&-48＼&-29.6＼&-24.8＼&]

通過(guò)表2中結(jié)果對(duì)比分析，兩種極化駐波帶寬分別為1.70%、2.15%；水平極化增益帶內(nèi)增益優(yōu)于18.3dB，垂直極化增益優(yōu)于17.9dB，兩種極化增益相差約0.5dB；副瓣電平均接近或優(yōu)于-11.5dB；交叉隔離均接近或優(yōu)于-30dB；端口隔離均優(yōu)于-25dB。匹配特性和輻射特性均良好，能夠滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合加工工藝對(duì)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了充分論證，并提出雙極化微帶天線(xiàn)單元設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題，即水平極化匹配的問(wèn)題和垂直極化增益偏低的問(wèn)題。利用陣列綜合方法解決單元設(shè)計(jì)中遺留問(wèn)題。特別對(duì)“垂直極化增益偏低”的問(wèn)題給出了可行的解決手段，增加了垂直極化的口徑效率。測(cè)試結(jié)果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于3.0，端口隔離優(yōu)于-40dB，增益優(yōu)于17dB。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪偉， 金劍. 寬頻帶膜片激勵(lì)波導(dǎo)窄邊非傾斜縫隙陣天線(xiàn)[J]. 微波學(xué)報(bào)， 2005， 21 （5）：30-33.

[2] 孟明霞，丁曉磊，等. 任意極化波導(dǎo)縫隙天線(xiàn)的設(shè)計(jì)[J]. 遙測(cè)遙控，2008，29（6）：12-16.

[3] 李書(shū)杰，孫從武.Ku波段寬頻帶高隔離雙極化微帶天線(xiàn)陣的設(shè)計(jì)[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)， 2005（34）：53-55.

[4] Tzung-Wem Chiou and Kin-Lu Wong. Broad-band dual-polarized single micro-strip patch antenna with high isolation and low cross polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， March 2002， 50（3）：399-401.