用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带天线阵

     摘  要:  利用口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构设计出一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化微带四元天线阵。用电磁仿真软件CST2008对天线阵的电特性进行了仿真和优化。四元天线阵实测结果表明：水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽为18.3%；垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽为10.24%。工作频带内两端口隔离度<-35 dB，增益为13.2 dB，与仿真结果一致。

现代的卫星通信系统对天线提出了更高的要求，不仅要求天线小型化、重量轻、具有良好的隐蔽性和机动性，同时为满足收发一体化和大容量通信的需求，还要求天线具有双频、双极化及宽带特性。微带天线具有体积小、重量轻、平面结构、能与载体共形、馈电方式和极化形式多样化等诸多优点[1]，倍受人们青睐。但微带天线在带宽、双频和双极化等方面的性能都难以适应现代卫星通信系统的要求。目前，国内外进行了展宽微带天线的工作带宽、实现双频、双极化工作的一系列研究并取得了一些成果[2-4]。研究中多采用多层贴片结构，有效地增加了工作带宽，但结构复杂且匹配困难，同时也增加了天线成本和调试难度，限制了它在卫星通信领域的应用潜力。为了满足现代卫星通信系统的要求，综合运用了口径耦合馈电、单层贴片结构和引入空气层等方式设计出一种工作在Ku波段宽带双频双极化微带天线单元，并在此单元的基础上，在馈电网络部分运用了错位倒相技术设计出了2×2元微带天线阵。用电磁仿真软件CST2008对该天线阵进行了仿真优化，并根据优化结果制作了天线阵实物。文中给出了实测和仿真结果，两者吻合较好。

　1 天线单元的设计

设计的天线单元结构如，为天线单元的侧视图，为天线单元的俯视图。天线的主体由三层介质板组成。方形辐射贴片倒置于层介质板的下面，这样布置可使介质板起到天线罩的作用。第二层介质板上面是开缝接地板，刻有一对H型缝隙成轴对称结构。为了实现良好的交叉极化和隔离度特性，2个H型缝隙呈T字型放置。两层介质板之间由空气层隔开，引入空气层以降低微带天线 Q值，从而达到增加带宽的目的。第三层介质板把实现双极化的两套馈电网络隔开，有利于网络布线和提高隔离度。馈线由两个相互正交的50 Ω微带线组成，微带馈线均采用中心正馈的方式，以增强辐射贴片与馈线之间的耦合。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射，在离接地板四分之一波长处加了一块金属反射板，这也有利于提高天线的增益。辐射单元采用εr1=2.2，h1=1 mm的聚四氟乙烯板，馈电介质板采用εr2=εr3=3.38，h2=h3=0.305 mm的陶瓷碳氢混合物板。

根据口径耦合微带天线的传输线模型理论，初步确定天线的几何尺寸（包括贴片尺寸、缝隙尺寸、馈线开路枝节的长度）。天线单元的等效电路。

a为天线单元长度，x0为缝隙的位置。

谐振频率主要由n12Ypatch+Ya p决定。通过调节开路终端微带馈线的长度和H型缝隙的尺寸、位置以及辐射贴片的大小来改善天线的阻抗匹配特性，以形成双频谐振点和提高端口的频带宽度。完成初步设计后，得到满足电性能指标的结构参数，用电磁仿真软件对天线的结构参数进行优化，优化后天线单元各参数。

2 天线阵列的设计

2×2元微带天线阵的馈电网络分布。馈电网络采用并馈形式，由多个 T 形功分器连接，其中采用多节阻抗变换器进行阻抗匹配以便展宽频带。设计中充分考虑了馈电网络中不必要的辐射和损耗对天线增益带来的影响。为了抑制交叉极化，馈电网络设计中应用了错位倒相技术。对于水平方向的相邻贴片，水平极化端口间采用等幅反相馈电，垂直极化端口间则采用等幅同相馈电；对于垂直方向的相邻贴片，水平极化端口间采用等幅同相馈电，而垂直极化端口间采用等幅反相馈电。这种馈电方式使得激励的主极化辐射同向叠加，交叉极化辐射反向抵消，同时也改善了2个极化端口的隔离度。天线阵阵元间距为17 mm（约0.7λ1，中心频率为12.3 GHz；约0.8λ2，中心频率为14.2 GHz）。

　3  天线阵仿真与实测结果

基于以上设计,用电磁仿真软件CST2008 对该天线阵进行了电磁仿真和优化，仿真得到天线阵两端口的驻波比如，两端口的隔离度。根据优化结果制作了四元天线阵实物模型。

使用Agilent N5230A矢量网络分析仪对天线阵两端口驻波比和隔离度进行了测试，测试结果分别。水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR≤1.5，相对阻抗带宽为18.3%；垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR≤1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB。测试结果和仿真结果吻合较好，可见该天线阵具备良好的带宽和双频特性。

，对天线阵的方向图进行了测量。天线阵在水平极化端口12.3 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。天线阵在垂直极化端口14.2 GHz频率处仿真与实测E面和H面远场方向图。在12.3 GHz频率处,实测天线阵增益为13.3 dB，主瓣方向为天线法线方向。主瓣宽度E面约为33.8°，H面约为35.4°，旁瓣电平为-13.6 dB。在14.2 GHz频率处，天线阵增益为11.9 dB, 主瓣宽度E面约为31.2°，H面约为29.5°，旁瓣电平为-10.9 dB。实测天线方向图和仿真结果略有偏差,可能是因测试环境影响所致。实测结果表明：该天线阵电性能和辐射特性良好，并能满足工程应用要求。

综合运用口径耦合馈电、错位倒相馈网技术和单层微带贴片结构设计了一种用于卫星通信的Ku波段宽带双频双极化四元微带天线阵。设计的双频双极化天线阵水平极化端口在11.21 GHz～13.47 GHz频率范围内VSWR≤1.5,相对阻抗带宽为18.3%；垂直极化端口在13.43 GHz～14.88 GHz频率范围内VSWR?燮1.5,相对阻抗带宽为10.24%。在11 GHz～15 GHz整个频带范围内两个极化端口的隔离度优于35 dB，实测天线阵增益为13.3 dB, 测试结果与仿真结果吻合较好。该天线阵电性能和辐射特性良好，可作为高增益宽带双频双极化微带天线阵组阵的子阵，满足其在卫星通信、车载雷达通信和散射通信等领域的工程应用。