用于卫星通信的S波段宽带圆极化微带天线阵设计方法

　　摘要提供了一种用于卫星通信的S波段宽带圆极化微带天线阵的设计方法，采用口径耦合馈电，利用连续相位旋转法实现圆极化工作，并增加空气基板展宽其工作带宽。在此设计基础上制作了天线阵实物，实测1.5的阻抗带宽为23.8%，最大增益为14.5dB。

　　关键词宽带；圆极化；口径耦合；微带天线阵

　　中图分类号：TN965.2文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）14-0009-03

　　近年来，卫星通信设备在S波段大量涌现，且都向着集成化、宽带的通信体制方向发展。大多数通信体制要求天线在带宽大于20%的范围内具有高纯度的圆极化特性，且天线还应具备小体积、轻重量、低剖面、易与通信设备集成、方便携带等特点，这给卫星通信设备天线的研究带来了严峻的挑战。

　　微带天线具有小体积、轻重量、低剖面、易集成、多样化的馈电形式和极化方式等诸多优点，在卫星通信领域备受亲睐。但微带天线是谐振类天线，品质因数高、带宽很窄，因此，有大量的研究是关于微带天线的频带展宽技术。文献[2]采用斜对角线馈电的方式实现了圆极化工作，获得了6.8%的相对阻抗带宽；文献[3]采用多层介质耦合馈电结构设计了一种新型的宽带圆极化微带天线，阻抗带宽达到了14.3%。文献[4][5]分别设计了由线极化单元合成圆极化的阵列天线以及宽带的共面波导馈电形式的圆极化天线。以上文献介绍的天线频带都有不同程度的扩展，但都存在结构复杂、不易加工、难集成、不适合在阵列天线中应用的缺点。为了满足S波段卫星通信体制的苛刻要求，采用口径耦合馈电，运用连续相位旋转法实现圆极化工作，增加空气层展宽天线带宽的方式设计出四元微带天线阵。最后制作了天线阵实物，实测和仿真结果吻合较好，从而验证了该方法的正确性和实用性。

　　1天线单元设计

　　1.1天线单元的设计

　　图1（a）为天线单元的侧视图，图1（b）为天线单元的俯视图。方形切角辐射贴片作为激励元倒置于εr1=2.2，h1=1mm的聚四氟乙烯板的下面，这样布置一方面使低介电常数的基板增加了天线带宽，另一方面使介质板起到了天线罩的作用。εr2=3.38，h2=0.305mm的陶瓷碳氢混合物板上面是开缝接地板，接地板中心处刻有H型缝隙结构。两层介质板之间引入介电常数为1.006的空气基板，从而增加了基板的总体厚度，降低了天线的Q值，扩展了天线带宽。高介电常数的陶瓷碳氢混合物薄基板结合空气层可以抑制高次模和表面波的激励，并对已产生的高次模和表面波有束缚作用。为了减少H型缝隙所引起的背向辐射，在接地板下方加了一层金属反射板。

　　根据Pozar提出的口径耦合天线理论，可以计算出天线单元的基本参数。

　　谐振频率主要由决定。把谐振频率带入公式（1）至（5），从而得到设计初值。利用电磁仿真软件建模，通过优化设计参数得到满足电性能指标的结构尺寸。

　　1.2天线单元的仿真结果

　　优化后天线单元主要参数如表1所示。天线单元的驻波比和轴比特性曲线分别如图2、图3所示。

　　由图3中可以看出，天线单元3dB轴比带宽为178MHz。因此，在工作频带内，圆极化特性和阻抗匹配特性良好，可以作为天线阵列的单元。

　　2天线阵列设计

　　2.1阵列天线的馈电网络设计

　　设计的馈电网络采用了多节λ/4波长阻抗变换器以便展宽频带，其中1、2、3、4是馈电端，通过口径耦合的方式分别给对应的天线单元馈电，如图4所示。采用该馈电网络既可以与50欧姆的输入端进行阻抗匹配，也可以在相邻的天线馈线端产生90°的相位差，且能保证对每个天线单元进行等功率馈电。这样的串并馈相结合的馈电网络分布，空间布局合理紧凑，与传统的并联型馈电网络相比，馈电路径长度较短，辐射单元与馈线间的相互影响较小，馈电比较均衡，易于工程实现，可以满足天线阵宽带和高增益的要求。