星載雙頻雙端口天線設(shè)計

安向東，邢斯瑞，隋 濤

(長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130000)

0 引言

隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，星載一體化技術(shù)的進步，小型化、高集成度和高性能化成為遙感衛(wèi)星的發(fā)展方向[1]。衛(wèi)星的小型化和高集成度對星載設(shè)備空間尺寸提出了更嚴格的要求。遙感衛(wèi)星的發(fā)展離不開無線通信系統(tǒng)的支撐，天線是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，隨著衛(wèi)星功能的增加，無線通信鏈路也變得復(fù)雜，星上需要解決多天線引起的衛(wèi)星外部布局空間有限的問題。

圓極化微帶天線[2-7]由于結(jié)合了微帶天線諸如結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、剖面低、容易制造、易于集成并可附著于任意表面等優(yōu)點和圓極化波能抑制雨霧的干擾、抗多徑反射、具有更好的移動性等優(yōu)點[8]，目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、雷達、移動通信以及各種無線通信設(shè)備當中。

針對天線引起的安裝空間問題，常規(guī)情況下可通過小型化、多頻段或?qū)掝l帶天線技術(shù)解決[9-11]，但在面對高功率發(fā)射和高靈敏度接收時，單端口天線在實際使用將增大射頻通道的設(shè)計難度，因此需要天線具有獨立的雙端口。

本文依托吉林一號衛(wèi)星星座，設(shè)計一款雙頻段、雙端口共面集成化的微帶天線，采用單層介質(zhì)板、雙輻射貼片的結(jié)構(gòu)，通過外部貼片加環(huán)形分布短路過孔的方法，使得雙貼片均工作在主模，在滿足設(shè)計指標的情況下，減小天線對于安裝空間的需求。該天線具有高集成度、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，本文提供一種雙頻段對應(yīng)雙端口天線設(shè)計思路，依據(jù)此設(shè)計方法仿真設(shè)計并加工實測了一款天線。

1 天線結(jié)構(gòu)與設(shè)計

天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，天線主要由介質(zhì)板和金屬板組成，共有一層鋁地板和一層介質(zhì)板。鋁板長寬D2=78 mm，厚度H1=3 mm，從應(yīng)用的角度考慮，對鋁板四角進行倒角處理，四角各有一個直徑R1=2.5 mm 的通孔，用于天線安裝固定。介質(zhì)板的材料為泰康利RF60A，介電常數(shù)εr=6.15，厚度H2=3.18 mm，對介質(zhì)板雙面進行敷銅處理，厚度為0.018 mm。介質(zhì)板長寬D2=78 mm，為實現(xiàn)較好的力學(xué)特性，對四角進行切角處理。外部輻射貼片長寬D6=64 mm，貼片通過切角和邊線上的凹槽方式實現(xiàn)左旋圓極化，切角直角邊長D5=3 mm，凹槽長為D7=3 mm，寬為D8=3 mm；外部輻射貼片過孔分布在直徑R2=36 mm 的圓上，過孔直徑R4=2 mm，R6=2.1 mm；內(nèi)部輻射貼片直徑R5=26 mm，貼片通過在與水平呈45°徑向切凹槽的方式實現(xiàn)右旋圓極化，凹槽間徑向距離D1=23 mm，凹槽寬度D3=5 mm?？紤]到工程使用情況，在中心圓環(huán)形分布的過孔之間，通過4 個金屬螺釘，將介質(zhì)板固定在底座鋁板上。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

天線采用同軸線饋電方式，有兩個饋電點分別為外部、內(nèi)部天線饋電，均采用結(jié)構(gòu)簡化的底饋方式。

按照傳統(tǒng)的設(shè)計方法，外部貼片工作于主模，此時如果R2＞1/3D5，阻抗匹配點將不再處于方環(huán)內(nèi)部，造成阻抗無法匹配[12]。當天線雙端口頻點較近時，不能滿足內(nèi)外側(cè)尺寸比1/3 的要求，傳統(tǒng)方法將受到使用限制。按照本文提出的設(shè)計方法，在外部輻射貼片的內(nèi)側(cè)圓環(huán)增加短路過孔設(shè)計，內(nèi)側(cè)尺寸和外側(cè)尺寸比例較小時，外部方形貼片同樣可工作于主模，并通過底饋的方式完成端口阻抗匹配。

天線外部輻射貼片為發(fā)射天線，通過切角實現(xiàn)TM01模和TM10 模簡并分離，形成左旋圓極化輻射，饋電點位于外部輻射貼片中線的左側(cè)；天線內(nèi)部輻射貼片為接收天線，通過切凹槽實現(xiàn)TM01 模和TM10 模簡并分離，形成右旋圓極化輻射，饋電點位于內(nèi)部輻射貼片中線的上側(cè)。

2 天線仿真

根據(jù)上述的設(shè)計方法，研制了一款星載終端收發(fā)共用天線，通過電磁仿真軟件對天線建模仿真，分析天線的電磁特性、天線結(jié)構(gòu)及尺寸對性能的影響。天線雙端口回波損耗和隔離度性能良好，如圖2 所示，L 端口工作頻點1.615 GHz 處回波損耗優(yōu)于-13 dB，工作頻帶內(nèi)L 端口與S 端口隔離度優(yōu)于32 dB；S 端口工作頻點2.491 GHz 處回波損耗優(yōu)于-18 dB，工作頻帶內(nèi)S 端口與L 端口隔離度優(yōu)于33 dB。

圖2 S 參數(shù)仿真結(jié)果

圖3～圖4 為天線的軸比仿真結(jié)果，天線L 端口在中心頻點處E 面和H 面±60°范圍內(nèi)軸比都比較平滑且小于3 dB；天線S 端口在中心頻點處E 面和H 面±60°范圍內(nèi)軸比都比較平滑且小于3 dB。

圖3 L 頻段中心頻點軸比仿真結(jié)果

圖5～圖6 為天線遠場方向圖仿真結(jié)果，由圖可知，在L 頻段天線主極化為左旋圓極化，中心頻點天線法相增益為6 dB，半功率波束寬度大于90°；在S 頻段天線主極化為右旋圓極化，中心頻點天線法相增益為6 dB，半功率波束寬度大于90°。

圖5 L 頻段中心頻點方向圖仿真結(jié)果

圖6 S 頻段中心頻點方向圖仿真結(jié)果

3 天線測試

按照仿真模型對天線進行加工，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線加工后實物的主要技術(shù)指標進行測試，S 參數(shù)測試結(jié)果如圖7 所示，天線在L 頻段和S 頻段的回波損耗均小于-15 dB，雙端口隔離度優(yōu)于32 dB，與仿真分析結(jié)果基本一致。

圖7 S 參數(shù)測試結(jié)果

天線軸比的測試結(jié)果如圖8 所示，天線在L 頻段和S 頻段的軸比均小于3 dB，與仿真分析結(jié)果一致。

圖8 軸比測試結(jié)果

天線增益的測試結(jié)果如圖9 所示，天線在L 頻段的左旋圓極化增益均大于5.8 dB；天線在S 頻段右旋圓極化增益大于5.8 dB，與仿真分析結(jié)果基本一致。

圖9 工作頻帶內(nèi)增益測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文采用共面雙微帶圓極化天線集成技術(shù)，設(shè)計了一款雙頻段雙端口微帶共口徑天線，在保證天線性能的前提下，大幅度削減雙天線安裝空間需求，增加整星結(jié)構(gòu)布局靈活度。該天線結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，經(jīng)加工測試結(jié)果與仿真結(jié)果一致，驗證了設(shè)計的合理性。天線工作在兩個頻段，兩個頻段內(nèi)都具有良好的輻射性能，對雙頻段雙端口微帶共口徑天線設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。