Ku／Ka双频共口径微带阵列天线设计

刘洋 董涛 王昕

（北京卫星信息工程研究所，北京100086）

1 引言

卫星通信的快速发展对天线系统提出了更高的要求：多频段、多极化、宽频带、小型化等。共口径天线可以把频率、极化特性不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频、多极化工作的性能，是卫星通信天线未来发展趋势。

共口径天线组阵单元的形式主要有微带贴片、微带振子、缝隙等［1］。文献［2］设计了一种Ku／Ka双频共口径天线，通过Ka频段方形微带贴片和置于其下方空隙处的Ku频段十字微带缝隙，实现了Ku频段双线极化和Ka频段线极化工作。文献［3］提出了一种Ku／C双频天线，由C频段的十字贴片和对称分布在其四周的4个Ku频段方形贴片组成，该几何结构具有结构紧凑和模块化等特点，通过简单的几何调整就可以实现不同的频率比。

在卫星通信领域，圆极化天线由于具有抗多径反射能力强等优点，得到了广泛应用。但是，在上述的双频共口径天线设计中，天线在两个频段均为线极化工作，当通信卫星天线的极化形式为圆极化时，将存在极化损失。微带天线通过切角、表面开槽、正交双馈等能够比较方便地实现圆极化。缝隙耦合馈电也可以实现圆极化，常见的方法有：在地板开长度不等的交叉十字缝隙；对两个垂直的矩形缝隙正交双馈等［4-5］。

本文提出了一种Ku／Ka双频共口径微带阵列天线的新设计，实现了Ka频段天线的圆极化工作和Ku频段天线的线极化工作。采用平面微带天线方案，并将两频段天线单元共面嵌套放置，满足飞行器载体对天线低剖面和小型化的设计要求。

2 天线设计

2.1 设计思想

本文提出的共口径阵列天线设计的关键在于阵面布局、馈电网络设计和Ka频段圆极化的实现。

天线的阵面布局主要包括天线的单元间距、单元形式以及单元的排列方式。单元间距是阵面布局中需要首先确定的。考虑到Ku、Ka两个频段频率比约为1∶2，将两个频段的天线单元嵌套放置，使Ku单元间距为Ka单元间距的2倍。Ku频段单元对称放置在4个Ka频段单元的中心，采用四角切角形式为Ka频段单元留出放置空间。两个频段的单元均采用方形贴片。经过理论计算以及仿真优化，Ka频段单元间距为0.7λKa，Ku频段单元间距为0.75λKu；Ka频段天线单元边长为0.3λKa，Ku频段天线单元边长为0.35λKu，切角部分为边长为0.08λKu的正方形。上述单元尺寸和间距恰能使得天线合理紧凑布局。

为了减小不同频段间的耦合，避免馈线的布线空间不足，采用多层结构将两个频段的馈电网络安排在不同的介质层上。Ku频段天线采用微带线侧馈形式，馈电网络与天线单元在同一平面；Ka频段天线由于贴片单元数较多，馈电网络设计相对复杂，因此将Ka频段馈电网络单独设计在下一层上，馈电网络位于接地板下方，通过接地板上的缝隙耦合馈电。

本文采用L形缝隙耦合馈电实现Ka频段天线的圆极化工作。对于微带贴片，当采用单个细长矩形缝隙耦合馈电时，可辐射线极化波。而L形缝隙相当于组合了两个彼此垂直的矩形缝隙。通过调节L形缝隙水平、垂直两臂的长度、宽度，以及馈电点的位置，能够在微带贴片上激励起两个满足圆极化条件的正交模，从而实现圆极化工作。

2.2 天线结构

天线结构侧视示意和仿真模型如图1和图2所示，天线由辐射贴片单元、馈线、两层介质板、接地板及反射腔构成。两层介质板均使用厚度为0.508mm，介电常数为2.2的Rogers RT 5880材料。两个频段辐射贴片单元位于介质板1的上方；Ka频段馈线位于介质板2下面，L形馈电缝隙开在位于两层介质板之间的接地板上；为减小地板开缝带来的背向辐射，在天线的底部加入一个高度为四分之一波长的反射腔，改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。

图1 天线侧视示意Fig.1 Side view of proposed antenna

图2 天线仿真模型Fig.2 Simulated model of proposed antenna

3 仿真与测试结果

利用高频电磁仿真软件HFSS对所设计的天线进行了仿真优化，并对优化好的天线模型进行了加工实测，仿真与实测结果如下。

图3、图4分别给出了Ku频段天线的端口回波损耗S11及方向图的仿真与实测结果比较。由图3知，Ku频段天线仿真的阻抗相对带宽 （S11＜-10dB）为2.2%，测试结果为2.1%。与仿真结果相比，测试的中心频率偏高约0.01Fc1。由图4可见，在f＝Fc1处，天线的仿真增益为11.8dB，实测增益为11.1dB。二者方向图主瓣基本重合，测试增益略低。介质板介电常数变化、PCB加工误差等因素可能是造成实测中心频率偏高和实测增益略低的原因。

图3 Ku频段天线仿真与测试S11比较Fig.3 Simulated and measured S11of Ku band antenna

图4 f＝Fc1处主平面方向Fig.4 Radiation patterns at f＝Fc1

图5 Ka频段天线仿真与测试S11比较Fig.5 Simulated and measured S11 of Ka band antenna

图5 ～图7分别给出了Ka频段天线的S11、方向图以及轴比的仿真与实测结果比较。由图5可见，Ka频段天线仿真的阻抗相对带宽为4.3%，实测结果为3.4%。实测相对带宽比仿真低0.9%。由图6可知，在f＝Fc2处天线圆极化仿真增益为18.6dB，实测为17.6dB。二者的方向图主瓣基本重合，测试增益略低。图7显示了天线仿真的圆极化轴比相对带宽为2%，测试轴比带宽为1.9%。与Ku频段天线测试结果相似，Ka频段天线也出现实测中心频率偏高的情况。除上述提到的介电常数变化和加工误差等原因外，天线的装配误差，如贴片、缝隙、馈线彼此之间未精确对准，也会导致测试结果与仿真结果不一致。另外，在微波暗室方向图测试过程中存在测试误差，也可能导致天线方向图测试结果与仿真结果不完全一致。

图6 f＝Fc2处主平面方向图Fig.6 Radiation pattern at f＝Fc2

图7 Ka频段天线轴比随频率变化Fig.7 Axial ratio change with frequency at Ka band

4 结束语

本文提出了一种Ku／Ka双频共口径天线的新设计，结构紧凑，口径利用率高。对天线的仿真与实测结果表明，该天线可分别实现Ku频段的线极化和Ka频段的圆极化工作，实测与仿真结果趋势基本一致，中心频率略向高频偏移，仍可满足通信指标要求。下一步可通过修正仿真模型中的介电常数、控制加工装配精度等加以改进。天线馈电网络分层设计使得布线空间相对宽裕，通过阵列单元和馈电网络的扩展，可进行高增益大型天线阵列的构造。该天线设计可应用于Ku／Ka频段的卫星通信中。

［1］钟顺时，崔俊海.新型小型化双频微带天线 ［J］.上海大学学报 （自然科学版），2002，8（2）：75-77.ZHONG SHUNSHI，CUI JUNHAI.New compact dual-frequency microstrip antenna ［J］.Journal of Shanghai University （Natural Science Edition），2002，8（2）：75-77.

［2］GAO GUOMING，ZHANG YUMEI.Shared-aperture Ku／Ka bands microstrip array feeds for parabolic cylindrical reflector［C］.International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology，Chengdu，China，May 8-11，2010：1028-1030.

［3］PENG JUN，WANG GUANGMING，JU ZHIQIN.Development on a dual-frequency antenna at Ku＆C Bands［C］.Microwave Conference Proceedings，Dec.4-7，2005.

［4］钟顺时.微带天线理论与应用 ［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1991：127-150.ZHONG SHUNSHI.Theory and application of microstrip antennas ［M］.Xi′an：Publishing House of Xi′an University，1991：127-150.

［5］薛睿峰，钟顺时.微带天线圆极化技术概述与进展 ［J］.电波科学学报，2002，17（4）：331-336.XUE RUIFENG，ZHONG SHUNSHI.Survey and progress in circular polarization technology of microstrip antennas［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（4）：331-336.