應(yīng)用于衛(wèi)星通信的雙頻圓極化太陽能天線

王 剛,程晉廣,胡承剛,,3*,張 恒,3

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065；2.中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714；3.中國科學(xué)院大學(xué) 重慶學(xué)院，重慶 400714)

0 引言

伴隨著信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。圓極化天線可以接收除與本身旋向相反的任意極化形式的來波，抗雨霧干擾和多徑反射能力較強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、導(dǎo)航定位和軍事等諸多領(lǐng)域[1-2]。近年來，綠色能源發(fā)展迅猛，光伏太陽能是其中的重要代表之一[3-5]，太陽能電池因其優(yōu)異的便攜性和低廉的成本，成為了戶外供能的首要選擇，二者相結(jié)合的太陽能天線也有一定的研究和應(yīng)用。例如，在太陽能電池底電極上直接刻蝕縫隙作為天線[6-8]，Vaccaro等人[9]設(shè)計(jì)了一款將縫隙天線與太陽能電池集成的天線，其軸比(AR)小于3 dB的帶寬為3%；將太陽能電池片作為天線的輻射貼片或寄生貼片[10]，Henze等人[11]設(shè)計(jì)的一款車載GPS太陽能天線增益僅有2 dBi；還可以將太陽能電池片作為天線的接地板[12-13]等。但這些形式的太陽能天線，加工制作復(fù)雜且性能相對(duì)較差。而通過對(duì)天線與光伏太陽能電池進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，將天線部分直接放在太陽能電池上，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化封裝，需要解決天線對(duì)電池板的光線遮擋問題和太陽能電池各向異性結(jié)構(gòu)對(duì)天線輻射性能的影響[14-17]。因此，急需發(fā)展輕量化、高性能、便于集成的太陽能天線。

本文采用透明導(dǎo)電薄膜制作微帶天線圖形，用透明有機(jī)玻璃作為天線介質(zhì)基板，通過疊層結(jié)構(gòu)，下層輻射貼片可以對(duì)上層貼片進(jìn)行耦合饋電實(shí)現(xiàn)雙頻工作，擴(kuò)寬阻抗帶寬。綜合考慮成本、制作工藝和輻射性能等方面，設(shè)計(jì)制作了在衛(wèi)星通信所需頻段內(nèi)增益優(yōu)于9.5 dBi，軸比小于2.65 dB，VSWR小于1.66的雙頻圓極化太陽能天線，最終質(zhì)量約為0.3 kg。本文設(shè)計(jì)的天線采用上下疊層結(jié)構(gòu)，大幅提升了天線和太陽能電池集成的便攜性，天線結(jié)構(gòu)的高透光性不會(huì)顯著制約太陽能電池的性能，天線與太陽能電池板疊層形成一體化封裝，能夠在野外提供電源和緊急信息傳輸。

1 天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

天線的整體結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，采用透明導(dǎo)電薄膜制作圖形結(jié)構(gòu)，無色透明有機(jī)玻璃板作為介質(zhì)基板，通過疊層實(shí)現(xiàn)太陽能電池與天線的直接集成。同時(shí)保證了天線具有良好透光性，使太陽能電池能夠接受光照正常進(jìn)行工作。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Overall structure diagram

太陽能電池板在有無天線時(shí)的工作情況參數(shù)如表1所示。由表1可知，天線會(huì)對(duì)太陽能電池造成一定遮擋。集成太陽能天線工作電壓與太陽能電池板相比無明顯變化，電流有所減少，功率有所損耗，仍處于正常工作狀態(tài)，可用于便攜式應(yīng)急充電。制成天線的透明導(dǎo)電薄膜的透光性和方阻有關(guān)，透光性越好方阻越大，方阻引起的損耗也越大，最終可能導(dǎo)致無法制成天線。因此，需要綜合考慮透光性和方阻，由此造成天線遮擋而引起的光電轉(zhuǎn)換效率損失無法避免。

表1 天線對(duì)太陽能電池板的影響Tab.1 Effect of the antenna on the solar panel

圖2(a)給出天線的結(jié)構(gòu)示意圖。天線介質(zhì)基板的長(zhǎng)寬分別為L(zhǎng)，W，天線為疊層結(jié)構(gòu)共3層：最上層介質(zhì)基板厚度為h1、中間空氣層厚度為h2和最下層介質(zhì)板厚度為h3。最上層的介質(zhì)基板的上方覆有由高透光率的透明導(dǎo)電薄膜制作的輻射貼片，通過下層介質(zhì)基板的輻射貼片對(duì)其進(jìn)行耦合饋電，達(dá)到雙頻工作。引入中間層(空氣層)的作用是為了提高微帶天線的帶寬，提升天線的整體性能。下層介質(zhì)基板的上方覆有微帶線饋電網(wǎng)絡(luò)和由饋電網(wǎng)絡(luò)側(cè)饋的方形切角貼片，下層介質(zhì)基板的下方覆有透明導(dǎo)電薄膜作為天線的地,由于存在地板，可以避免太陽能電池對(duì)天線性能的影響。饋電網(wǎng)絡(luò)與特性阻抗為50 Ω的同軸式SMA射頻連接器連接饋電，射頻連接器的外導(dǎo)體與下層介質(zhì)基板下方的導(dǎo)電薄膜連接，形成等效接地。射頻連接器與天線之間的電氣連接通過銀漿實(shí)現(xiàn)。

(a) 測(cè)量環(huán)境

(a) XOZ面

(a) XOZ面

(a) 1.5～3 GHz軸比情況

(a) 1～3 GHz駐波情況

(a) 整體示意圖

圖2(b)給出天線饋電網(wǎng)絡(luò)圖，其中上層輻射貼片的邊長(zhǎng)為a，切角大小為acut；下層輻射貼片的尺寸為b，切角大小為bcut，通過切角的方式引入微擾實(shí)現(xiàn)單個(gè)貼片的圓極化。通過調(diào)節(jié)單元上下兩層的輻射貼片邊長(zhǎng)來調(diào)節(jié)諧振頻點(diǎn)，通過切角的大小來調(diào)節(jié)軸比。陣元S1，S2，S3，S4饋電的相位依次相差90°，該相位差通過饋電網(wǎng)絡(luò)的微帶線長(zhǎng)度相差1/4波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn),組成的2×2陣列能夠很好地抑制交叉極化。在距離射頻連接器1/4波長(zhǎng)處引入調(diào)諧枝節(jié)，達(dá)到并聯(lián)電容的效果，調(diào)節(jié)枝節(jié)的尺寸實(shí)現(xiàn)天線整體與射頻連接器的阻抗匹配。

利用有限元法對(duì)天線進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)并優(yōu)化，得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 天線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the antenna 單位：mm

2 仿真與測(cè)試結(jié)果分析

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線的電壓駐波比(VSWR)。在微波暗室中測(cè)試天線的增益、軸比和方向圖，測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比如圖3～圖7所示，天線的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較好地吻合，誤差主要來源于加工和測(cè)試過程。

從圖3可以看出，天線VSWR<2的帶寬在1.89～2.26 GHz，完全覆蓋1.98～2.2 GHz工作頻段，且在工作頻段內(nèi)天線VSWR的最大值為1.66，阻抗匹配良好。

從圖4的實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，軸比<3 dB的帶寬在1.89～2.22 GHz，結(jié)合圖3的結(jié)果可知，天線在1.98～2.2 GHz的工作頻段內(nèi)有良好的阻抗特性和圓極化特性。

由圖5可以看出，天線增益優(yōu)于9.5 dBi的頻率范圍在1.97～2.48 GHz，且在衛(wèi)星通信上下行的中心頻點(diǎn)fL，fH處的增益能夠達(dá)到10 dBi以上。圖6和圖7為2個(gè)典型頻點(diǎn)處的左旋圓極化的增益方向圖，其3 dB波束寬度優(yōu)于30°。

圖5 天線增益實(shí)測(cè)仿真結(jié)果Fig.5 Measured and simulated results of the antenna gain

3 應(yīng)用

按照提包式、掛包式的封裝方式，將本文設(shè)計(jì)天線與市面常見太陽能電池板進(jìn)行一體化封裝試驗(yàn)，如圖9所示。該太陽能天線可用于野外應(yīng)急電源和緊急信息傳遞，為野外工作者和探險(xiǎn)提供一定幫助。

圖9 添加外封裝后的實(shí)物Fig.9 Photograph after adding the packaging

實(shí)驗(yàn)中，太陽能電池質(zhì)量0.3 kg，加上天線后質(zhì)量約為0.6 kg，便攜易帶。2塊太陽能電池板可提供約7 W的功率，滿足緊急供電需求。

封裝前后的VSWR測(cè)量結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出，封裝前后VSWR基本不變，且封裝采用的材料為防水防劃的布料，無任何金屬部分，不會(huì)對(duì)天線輻射性能造成影響，能夠保證天線的正常工作。

圖10 封裝前后的電壓駐波比測(cè)量結(jié)果Fig.10 Measured results of VSWR before and after packaging

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于衛(wèi)星通信的雙頻圓極化太陽能天線。采用疊層結(jié)構(gòu)直接集成太陽能電池和天線，利用雙層微帶貼片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了雙頻工作，擴(kuò)展了阻抗帶寬，滿足衛(wèi)星通信的上、下行頻段，同時(shí)對(duì)貼片進(jìn)行切角引入微擾實(shí)現(xiàn)圓極化，并通過饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提升天線的輻射性能。對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了其可行性。以上結(jié)果為此類設(shè)備的后續(xù)研究應(yīng)用提供了一定參考。