Ka波段衛(wèi)星通信雙極化微帶陣列天線研究

　　對混合饋電結(jié)構(gòu)的兩種饋電方式的傳輸模型進(jìn)行分析，確定縫隙的形式“H”型縫隙;然后介紹介質(zhì)基板的選和微帶貼片的解析計算方法，確定天線的初始尺寸;研究了Ka波段雙極化微帶天線4*4陣列的設(shè)計方法。最后對無過孔雙極化微帶天線陣列和加載過孔雙極化微帶天線陣列的結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進(jìn)行分析。測試結(jié)果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于3.0，端口隔離優(yōu)于-40dB，增益優(yōu)于17dB。

　　《江蘇通信》1985年創(chuàng)刊，立足江蘇通信行業(yè)，面向世界通信發(fā)展，報道最新科技成果，開展學(xué)術(shù)技術(shù)培訓(xùn)交流。堅持為社會主義服務(wù)的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導(dǎo)，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是、理論與實際相結(jié)合的嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)，傳播先進(jìn)的科學(xué)文化知識，弘揚民族優(yōu)秀科學(xué)文化，促進(jìn)國際科學(xué)文化交流，探索防災(zāi)科技教育、教學(xué)及管理諸方面的規(guī)律，活躍教學(xué)與科研的學(xué)術(shù)風(fēng)氣，為教學(xué)與科研服務(wù)。

　　1 引言

　　Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz，Ka頻段具有可用帶寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛(wèi)星新聞采集(SNG)、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶(DTH)業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。現(xiàn)代衛(wèi)星通信頻譜資源日益緊張，雙極化微帶天線可以實現(xiàn)頻率復(fù)用，同時發(fā)射或接收兩個正交極化的電磁波，通信容量增大一倍，實現(xiàn)極化分集接收，減小多徑傳播影響，可實現(xiàn)移動衛(wèi)星通信，研究雙極化微帶天線很有必要。Ka波段，雙極化微帶陣列和雙極化波導(dǎo)縫隙陣列，可實現(xiàn)很強，但是一直沒有得到應(yīng)用。制約其發(fā)展的很大因素是加工工藝問題。本文在傳統(tǒng)固定極化單脈沖天線的背景下，研究了Ka波段雙極化微帶單脈沖天線陣列。

　　2 混合饋電雙極化微帶天線單元設(shè)計

　　本文確定采用微帶混合饋電方式實現(xiàn)Ka波段雙極化特性，微帶貼片采用方形貼片，饋電方式采用混合饋電。考慮實際制板因素，需要在設(shè)計過程考慮介質(zhì)基板、粘結(jié)膠等影響因子。下面介紹雙極化微帶天線單元的設(shè)計過程。

　　2.1 介質(zhì)基板的選取

　　微帶天線的設(shè)計首先需要選擇合適的介質(zhì)基板，其性能對天線性能指標(biāo)影響很大。介質(zhì)基板的選擇主要依據(jù)兩個方面[3]：材料屬性和幾何屬性。材料屬性包含介質(zhì)基板的介電常數(shù)、損耗角正切等;幾何屬性主要是介質(zhì)板的厚度。一般情況，隨著介質(zhì)基板的介電常數(shù)的升高，天線的尺寸會減小，天線帶寬也變小;損耗正切值與天線的效率直接相關(guān)，它決定于材料特性、工作頻率、基板厚度等因素。

　　基板厚度與天線的工作帶寬、交叉極化性能和天線整體尺寸相關(guān)，并且基板的厚度受到板材規(guī)格的限制。一般情況，隨著基板厚度的增大，天線輻射效率提高，工作帶寬展寬，但是表面波輻射也會增大。

　　總之，基板的介電常數(shù)、損耗角正切和介質(zhì)基板厚度對天線的輻射特性、匹配特性等性能的影響是直接的。但是上述性能往往又是彼此相互制約的，因此，實際設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用選擇[4]。本文設(shè)計中三層介質(zhì)基板Die1、Die2和Die3均采用Rogers RT/ Duroid 5880聚四氟乙烯作為介質(zhì)基板材料，厚度為10mil。選用此規(guī)格介質(zhì)基板的原因主要有兩點：

　　1) Ka波段，Rogers 5880的損耗角正切值較小，饋電網(wǎng)絡(luò)引起的損耗較小，一般為，天線輻射效率較高。

　　2) 選用厚度為10mil的規(guī)格，主要出于對天線單元的匹配特性和陣列功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的綜合考慮。厚度較厚便于天線單元共面微帶饋電的匹配，但是陣列功分網(wǎng)絡(luò)將會存在較寬的微帶匹配段，引入較大互耦，也會引起較大的寄生輻射，降低天線性能。

　　相對于介質(zhì)基板的選擇，粘結(jié)膠的選擇自由度較小，主要考慮板材的粘合度、應(yīng)用環(huán)境以及粘結(jié)膠的加工特性，由PCB加工廠商提供。本應(yīng)用中J1和J2采用介電常數(shù)為2.6，厚度為0.1mm的Fastprise FR28。至此，介質(zhì)基板均已確定，下面介紹微帶輻射貼片的設(shè)計。

　　2.2 微帶輻射貼片設(shè)計

　　本文輻射貼片選用方形貼片，方形貼片的理論已很成熟，也有利于天線的交叉極化性能和匹配特性。設(shè)矩形貼片的長為W，寬為L，下面是矩形微帶輻射貼片的計算公式：

　　初步確定輻射貼片尺寸，不考慮由于粘結(jié)膠引起的等效介電常數(shù)的變化，取中心頻率，介電常數(shù)可計算出W=3.37mm，L=2.67mm。由于本文設(shè)計的輻射貼片采用方形貼片，為了實現(xiàn)雙極化，方形的兩條邊均作為輻射邊，故輻射貼片的邊長選用2.67mm。

　　3 微帶陣列天線設(shè)計

　　在陣列設(shè)計時，陣列單元、陣元間距、陣列單元排布形式、陣列單元饋電權(quán)值、饋電網(wǎng)絡(luò)形式等均需要確定。本文設(shè)計16單元陣列，均勻分布，且等幅同相饋電，陣元間距和饋電網(wǎng)絡(luò)的形式需要進(jìn)一步確定。

　　3.1 陣列饋電方式選取

　　饋電網(wǎng)絡(luò)的主要目的是給予天線單元所需要的激勵電流幅度和相位，達(dá)到陣列綜合的目的。選取饋電網(wǎng)絡(luò)形式的主要原則有：結(jié)構(gòu)簡單、易匹配、損耗小、帶寬等。陣列饋電形式主要有并聯(lián)饋電(圖1(a))和串聯(lián)饋電(圖1(b))兩種形式，以及兩者組合饋電。兩中饋電方式各有優(yōu)勢。

　　并聯(lián)饋電設(shè)計簡單，各陣元所要求電流激勵幅度和相位容易分配。并聯(lián)饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列單元相對獨立，這為陣列綜合提供了很好的設(shè)計前提，并且容易實現(xiàn)寬帶匹配。但是，這種饋電占用空間較大，隨著陣元增多，饋線長度增加很快，損耗變大，因此大型陣列不宜使用。

　　串聯(lián)饋電是將天線陣元用微帶傳輸線串聯(lián)連接起來，此時對饋電的主傳輸線來說，每一天線陣元都等效于一個四端網(wǎng)絡(luò)。串饋陣列各單元互相影響，設(shè)計復(fù)雜，帶寬也比較窄。但是，相比并聯(lián)饋電，串聯(lián)饋電有以下優(yōu)點：饋線長度短，由饋線引入的散射和輻射損耗較小，提高了天線效率;貼片單元排列緊湊，空間利用性好，利于饋電網(wǎng)絡(luò)放置;不用單獨設(shè)計饋電網(wǎng)絡(luò)。

　　3.2 饋電間距選定

　　陣元間隔的選擇主要從兩方面來考慮：既要使單元的個數(shù)盡可能多從而提高幾何口徑利用率和天線的增益，同時也要考慮互耦的影響。 按格林函數(shù)法分析四元陣系統(tǒng)的結(jié)果(如圖2所示)表明：當(dāng)單元間距[d=0.8λ0]時能獲得最大方向性系數(shù)，而當(dāng)[d=0.76λ0]時能獲得最大增益。

　　互耦的影響可通過適當(dāng)?shù)倪x取單元間距d來處理。典型的單元間距應(yīng)該使得E面耦合系數(shù)[S212<-20dB]，H面耦合系數(shù)[S212<-25dB]。綜合以上兩方面以及天線口徑的限制，選取的單元間距[d=6.5mm=0.765λ0]。

　　4 微帶陣列仿真分析

　　4. 1 陣列優(yōu)化流程

　　為了提高設(shè)計效率，利用Ansys Designer作為主要的設(shè)計工具，借助Auto CAD強大的制圖功能進(jìn)行輔助設(shè)計，最后利用Ansys HFSS進(jìn)行仿真驗證。

　　4.2 無過孔雙極化微帶天線陣列仿真

　　經(jīng)過前文的論證，確定陣列饋電選用并聯(lián)饋電方式，其中2×2陣列中，共面饋電采用反相并聯(lián)饋電，耦合饋電采用同相并聯(lián)饋電，單元間距采用0.765λ0。下面利用Ansys designer對4×4雙極化微帶陣列優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析說明。Ansys designer仿真模型如圖3所示。

　　從模型中可以看出在4×4雙極化微帶陣列中，耦合饋電采用了上下反相饋電技術(shù)，修正了部分結(jié)構(gòu)不對稱性，但是正如前文所述，180°相移段會引入色散效應(yīng)，在仿真結(jié)果中可以看出。共面饋電主要采用左右反相饋電技術(shù)，同時上下鏡像來修正結(jié)構(gòu)的不對稱性，從而改善交叉極化性能，但是色散效應(yīng)依然不可避免。天線的外形尺寸為50mm×50mm，天線總厚度為1.034mm。

　　利用Ansys Designer對雙極化微帶天線的匹配特性和輻射特性進(jìn)行仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果如下列表所示。駐波隨頻率變化曲線如圖4(a)所示，駐波比(<2.0)帶寬，水平極化端口約為1.78%，垂直極化端口優(yōu)于2.6%，可見耦合饋電帶寬比共面直饋阻抗帶寬寬;端口隔離度如圖4(b)所示，在34.6GHz～35.4GHz帶寬內(nèi)均優(yōu)于-30dB，有著良好的端口隔離度。

　　圖5為雙極化增益隨頻率變化曲線，其中(a)為水平極化增益隨頻率變化曲線，(b)為垂直極化增益隨頻率變化曲線。從中很容易發(fā)現(xiàn)，水平極化增益整體優(yōu)于垂直極化增益約2dB，與單元仿真情況相符合。

　　圖6為雙極化交叉極化隨頻率變化曲線，其中(a)為水平極化交叉極化隨頻率變化曲線，(b)為垂直極化交叉極化隨頻率變化曲線。兩種極化方式的交叉極化在頻帶內(nèi)均優(yōu)于-27dB，能夠滿足實際需求。

　　指標(biāo) 頻率\端口\&34.6GHz\&35 GHz\&35.4GHz\&H_Port\&V_Port\&H_Port\&V_Port\&H_Port\&V_Port\&駐波\&2.14\&1.85\&1.21\&1.03\&1.83\&1.62\&增益(dB)\&17.58\&16.40\&18.95\&17.17\&19.27\&17.40\&副瓣電平(dB)\&-12.9\&-11.7\&-14.7\&-12.2\&-15.0\&-11.8\&交叉極化(dB)\&-30.7\&-32.5\&-28.3\&-31.2\&-30.3\&-29.7\&端口隔離(dB)\&-37.0\&-32.9\&-31.3\&]

　　通過表1比分析，兩種極化駐波帶寬分別為1.75%、2.6%;水平極化增益優(yōu)于17.5dB，垂直極化增益優(yōu)于16.4dB，兩種極化增益相差約2dB;副瓣電平均接近或優(yōu)于-12dB;交叉隔離均接近或優(yōu)于-30dB;端口隔離均優(yōu)于-30dB。所列舉指標(biāo)中，最明顯的缺陷便是垂直極化增益偏低，在單元仿真中給出了導(dǎo)致這個問題的兩個原因，下面針對第二個問題提出一種解決方案。

　　4. 3 加載過孔雙極化微帶天線陣列仿真

　　加載過孔雙極化微帶天線陣列仿真模型和層結(jié)構(gòu)示意如圖7所示，其中(a)為HFSS仿真模型45°等角視，(b)為仿真模型的俯視，(c)為層結(jié)構(gòu)示意。如(c)中所示層結(jié)構(gòu)：Die表示為介質(zhì)基板，仍然選用介電常數(shù)為2.2，厚度為0.254mm的Rogers 5880;粘結(jié)膠即為前文提到的FR28半固化片，介電常數(shù)為2.6，厚度為0.1mm;layer**表示金屬層，**標(biāo)號為層標(biāo)號，從上至下依次為01～04;Via表示金屬過孔或者機械通孔，其中機械通孔即天線安裝孔，對天線性能影響甚微，故仿真模型中未考慮在內(nèi)。

　　利用Ansys Designer對雙極化微帶天線的匹配特性和輻射特性進(jìn)行仿真優(yōu)化，并利用Ansys HFSS進(jìn)行了驗證，兩者仿真結(jié)果相仿，具體仿真結(jié)果如下列表所示。駐波隨頻率變化曲線如圖8(a)所示，駐波比(<2.0)，水平極化帶寬約為1.7%，垂直極化優(yōu)于2.15%，相比無過孔模型，共面直接饋電的駐波帶寬變化較小，耦合饋電帶寬有所下降;端口隔離度如圖8(b)所示，在34.6GHz～35.4GHz帶寬內(nèi)均優(yōu)于-40dB，有著良好的端口隔離度。

　　圖9為雙極化增益隨頻率變化曲線，其中(a)為水平極化增益隨頻率變化曲線，(b)為垂直極化增益隨頻率變化曲線。水平極化增益與垂直極化增益相差約0.4dB，相比圖4所示有了很大改善。而且水平極化在2.28%帶寬內(nèi)，增益最大不平度為0.58dB，垂直極化的不平度為0.5dB，增益平坦度性能優(yōu)良。

　　圖9為雙極化交叉極化隨頻率變化曲線，其中(a)為水平極化交叉極化隨頻率變化曲線，(b)為垂直極化交叉極化隨頻率變化曲線。交叉極化曲線是選取E面和H面交叉極化較差的一維擬合的曲線，兩種極化方式的交叉極化在頻帶內(nèi)均優(yōu)于-27dB，性能優(yōu)良，符合實際需求。

　　指標(biāo) 頻率\端口\&34.6GHz\&35 GHz\&35.4GHz\&H_Port\&V_Port\&H_Port\&V_Port\&H_Port\&V_Port\&駐波\&2.42\&2.05\&1.11\&1.10\&2.34\&2.14\&增益(dB)\&18.3\&17.9\&18.8\&18.4\&18.8\&18.3\&副瓣電平(dB)\&-13.0\&-11.6\&-13.3\&-12.2\&-11.9\&-12.1\&交叉極化(dB)\&-31.1\&-39.8\&-29.7\&-35.7\&-27.8\&-36.2\&端口隔離(dB)\&-48\&-29.6\&-24.8\&]

　　通過表2中結(jié)果對比分析，兩種極化駐波帶寬分別為1.70%、2.15%;水平極化增益帶內(nèi)增益優(yōu)于18.3dB，垂直極化增益優(yōu)于17.9dB，兩種極化增益相差約0.5dB;副瓣電平均接近或優(yōu)于-11.5dB;交叉隔離均接近或優(yōu)于-30dB;端口隔離均優(yōu)于-25dB。匹配特性和輻射特性均良好，能夠滿足要求。

　　5 結(jié)束語

　　本文結(jié)合加工工藝對天線的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了充分論證，并提出雙極化微帶天線單元設(shè)計中的潛在問題，即水平極化匹配的問題和垂直極化增益偏低的問題。利用陣列綜合方法解決單元設(shè)計中遺留問題。特別對“垂直極化增益偏低”的問題給出了可行的解決手段，增加了垂直極化的口徑效率。測試結(jié)果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于3.0，端口隔離優(yōu)于-40dB，增益優(yōu)于17dB。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 汪偉， 金劍. 寬頻帶膜片激勵波導(dǎo)窄邊非傾斜縫隙陣天線[J]. 微波學(xué)報， 2005， 21 (5)：30-33.

　　[2] 孟明霞，丁曉磊，等. 任意極化波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計[J]. 遙測遙控，2008，29(6)：12-16.

　　[3] 李書杰，孫從武.Ku波段寬頻帶高隔離雙極化微帶天線陣的設(shè)計[J]. 火控雷達(dá)技術(shù)， 2005(34)：53-55.

　　[4] Tzung-Wem Chiou and Kin-Lu Wong. Broad-band dual-polarized single micro-strip patch antenna with high isolation and low cross polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， March 2002， 50(3)：399-401.