星载L 波段宽带高增益圆极化微带天线设计

隋涛，邢斯瑞，孙伟，安向东

(长光卫星技术有限公司，吉林 长春 130000)

0 引言

随着科技的不断进步，无线通信领域已经在卫星制造中占据了无可取代的位置。其中，卫星互联网概念的提出[1-2]使得通信卫星在近几年正在飞速发展，而天线作为无线通信中关键的一环，其设计满足系统的优良性能及功能显得格外关键[3-6]。本文依托吉林一号卫星网络，提出了一款星载L 波段宽带高增益圆极化微带天线，可以作为低频段通信转发载荷的一部分，以完成卫星通信信号无线传输的任务。

为了在微带天线中实现低频段大带宽，前人已经做了大量工作，例如：文献[7]中设计了一种双层矩形贴片的层叠结构以展开天线带宽，阻抗相对带宽达到10%，频带内增益大于6 dB；文献[8]中设计了一款用于全球定位系统的圆极化微带天线，采用电容耦合探针馈电增加阻抗带宽，采用共面寄生贴片提高圆极化带宽，峰值增益达到8 dBi；文献[9]中设计了一种4 段扇形天线组成的采用一分四功率分配器芯片实现宽带圆极化的天线，并采用电磁带隙结构作为高阻抗表面以实现天线能量定向辐射；文献[10]中设计了一款环形槽缝隙耦合馈电的双层微带天线，实现了17.6%的驻波相对带宽，且带宽内增益大于7.2 dBi。除此之外，还有人采用电磁超材料或法布里-珀罗谐振腔设计以提高带宽[11-12]。

本文所设计天线工作在L 波段，采用H 形槽缝隙耦合馈电设计以展宽频带，采用威尔金森移相功分器实现馈电网络相位差以满足圆极化设计，采用金属背板以提高天线增益，在各层板间填充聚甲基丙烯酰亚胺(Polymethacrylimide，PMI)泡沫以固定天线整体结构，天线整体具备良好性能。在后续吉林一号卫星组网阶段，此天线可为通信转发载荷提供无线保障，同时也为低频段宽带高增益天线提供一种设计思路。

1 天线设计与仿真

1.1 H 形缝隙单元

微带天线是一种谐振式天线，其谐振特性类似高Q值并联谐振电路，所以微带天线的阻抗频带较窄，相对带宽一般只有2%左右。而根据任务指标本文所设计天线相对带宽需要达到7%，故为了降低天线Q 值，提高天线带宽，本文采用了缝隙耦合馈电的方法。

缝隙耦合馈电一般为双层结构，天线的辐射贴片位于上层介质板上表面，缝隙单元位于下层介质板上表面，馈电网络位于下层介质板下表面。天线能量通过微带线馈入下层介质板后再经缝隙耦合的方式对辐射贴片进行激励，不同的缝隙形状对耦合强度的影响不同，增加缝隙尺寸可以提高能量耦合，但后向辐射也会随之加强。因此，为了可以获得较大耦合量和较小的开槽面积，本文采取了H 形缝隙开槽形状。

H 形缝隙单元结构如图1 所示，这里介质板选用F4BM265，介电常数为2.65，厚度为1 mm。在介质板上表面整面敷铜的基础下进行H 形缝隙开槽，采用双H形正交排列的目的是实现介质板下表面馈线网络中双馈点激励，进而实现圆极化。其中各个尺寸数值如下：m0=1.8 mm，m1=20 mm，m2=29 mm，m3=38 mm，m4=17 mm，l1=100 mm，l2=100 mm。

图1 H 形缝隙单元结构

1.2 馈电网络单元

天线整体的馈电网络单元位于下层介质板下表面，具体的结构如图2 所示。由于双馈法可以展宽天线的阻抗带宽和轴比带宽，故馈电网络采用双馈法馈电，信号能量通过端口1 馈入微带线，经威尔金森移相功分器后在端口2 与端口3 通过H 形缝隙单元结构进行向上辐射。结构中具体尺寸为w1=2.6 mm，w2=1.5 mm，贴片电阻阻值为100 Ω。

图2 馈电网络单元结构

馈电网络采用的是威尔金森移相功分器，其作用一是两输出端电长度相差约四分之一波长，两端口可以输出相位差为90°、幅度相等的线极化波以合成圆极化波；作用二是与简单功分器相比，其加入了隔离电阻，提高了端口2 与端口3 之间的隔离度，进而提高天线性能。

对馈电网络进行仿真分析，其结果如图3、图4 所示。图3 为馈电网络的传输损耗，可以看出在f0(中心频率f0=1.45 GHz)处S21、S31 在-3.3 dB 左右，曲线整体波动不超过0.2 dB，功率分配特性较好。图4 为馈电网络的相位差，在f0处S21 与S31 相位差为90°，端口2 相位超前端口3 相位90°，天线整体辐射右旋圆极化波。

图4 馈电网络相位差

1.3 天线整体结构

本文所设计天线整体结构如图5、图6 所示，从上至下依次为辐射层板、上层泡沫板、馈电层板、下层泡沫板、金属底板。结构中具体尺寸为lp=70 mm，h1=1 mm，h2=1 mm，h3=2 mm，h4=15 mm，h5=15 mm。

图5 天线整体结构(立体图)

图6 天线整体结构(侧视图)

最上方辐射层板选用F4BM265，大小为100 mm×100 mm，厚度为1 mm。辐射贴片位于板子上表面，贴片采用正方形结构，边长约为f0在介质板中相对波长的二分之一。

上层泡沫板与下层泡沫板选用PMI 泡沫，厚度皆为15 mm。PMI 泡沫具有如下优点：优异的力学性能，比强度高，比模量高，用于固定上下板子，起到支撑的作用，防止天线整体结构在振动过程中变形受损；优良的介电性能，介电常数为1.17，损耗角正切0.004，在2 GHz～26 GHz 具有很好的宽频稳定性，对天线辐射性能几乎没有影响；耐热性能好，热变形温度为180～240 ℃，可以适应太空中复杂的温度环境。

最下方的金属底板材料为铝，厚度为2 mm。信号在馈电网络中传输时，主要的能量通过H 形缝隙单元向上辐射，也有少部分能量向下方辐射。如果在馈电层板下方不放置金属底板，则天线方向图背瓣偏高，前后比变小，辐射性能变差；而放置金属底板后，向下辐射的能量传到金属板后会进行反射，天线增益得到提高，前后比变大，辐射性能变好。

利用仿真软件进行建模仿真，天线回波损耗仿真图如图7 所示，天线匹配性能良好，在f0处回波损耗为-14.8 dB，10 dB 带宽为1.1 GHz～1.68 GHz，共0.58 GHz，相对带宽为41.7%。

图7 天线回波损耗

天线在f0处方向图仿真图如图8 所示，可以看出天线主极化为右旋圆极化，交叉极化为左旋圆极化。在法向方向(角度为0°)时增益为8.3 dBi(满足设计指标7.5 dBi)，半功率波束宽度为70.8°，天线整体辐射性能良好。

图8 天线方向图(f=f0)

天线在f0处轴比仿真图如图9 所示，法向方向(角度为0°)轴比为0.7 dB，半功率波束宽度内轴比小于3 dB，圆极化性能良好。

天线增益随频率变化仿真图如图10 所示，可以看出当天线增益大于7.5 dBi 且回波损耗小于-10 dB 时的带宽为1.2 GHz～1.52 GHz，共0.32 GHz，相对带宽为23.5%，天线具备宽带高增益性能。

图10 天线增益随频率变化图

2 实物加工与测试

按照仿真设计对天线进行实物加工，实物照片如图11所示，天线整体尺寸为100 mm×100 mm×34 mm，每层板四角进行打孔处理，通过4 根螺钉进行板间连接固定。

图11 天线实物图

对天线实物进行测试，实测回波损耗和方向图与仿真值对比图如图12、图13 所示。回波损耗方面在f0处为-13.4 dB，10 dB 带宽为1.13 GHz～1.84 GHz，与仿真结果基本吻合，天线阻抗匹配良好。方向图方面在法向方向增益为8 dBi，整体辐射性能良好，与仿真结果相比，天线增益略有下降，可能是由测试误差或加工误差导致。

图12 天线回波损耗实测值与仿真值对比

图13 天线方向图实测值与仿真值对比

3 结论

本文设计了一种星载L 波段宽带高增益圆极化多层微带天线。天线采用威尔金森功分移相器通过H 形缝隙耦合进行馈电，结构上采用PMI 泡沫和金属底板进行支撑固定以满足力学要求并提高天线增益。天线经过加工测试可以发现，其测试结果与仿真结果基本一致，设计符合要求。该天线可应用于星载L 波段无线通信系统中，对星载低频段大带宽天线设计具有一定的参考价值。