波导馈电的圆极化天线阵在卫星通信中的应用*

范振东，从益凤，何 柳，胡 坚，钟兴建

（1.31121部队，江苏 南京 210014；2.31107部队，江苏 南京 210004；3.陆军工程大学通信工程学院，江苏 南京 210007）

0 引 言

卫星工作在远离地球的太空中，信号在卫星与地球基站之间的传输过程中，容易受到电场、磁场和雨雾等因素的干扰，因此作为卫星通信系统中一个重要的信号收发媒介，选择合适的天线对信号的有效传输至关重要。而普通的线极化天线受环境影响易产生极化偏转和误码，因此在卫星通信系统中多采用圆极化天线。

在卫星通信系统中，微带天线以其低剖面、体积小、重量轻、抗雨滴干扰和抗多径反射等优点而被广泛应用。微带天线通常需要提高增益来补偿卫星对天线造成的传输损耗。为了提高增益，通常需要用到微于高欧姆损耗和高介电损耗，微带馈电网络因此也具有较大的传输损耗。对于天线单元数大于200的微带天线阵，随着天线单元数的增加，传输损耗的增加可能反而会大于增益的增加[1-3]。

为了降低馈电网络的传输损耗，波导馈电网络可以用来代替整个或部分的微带馈电网络。而如果所有的微带馈电网络都被波导馈电网络所取代，每个独立的辐射单元都必须由波导馈电，可能会没有足够的空间来放置馈电波导。折衷的方法是将波导馈电网络与微带馈电网络相结合组成馈电网络，其中微带馈电网络用于直接向构成辐射模块的辐射元件馈电，波导馈电网络用向每个辐射模块馈电[4-6]。

本文将波导馈电网络与圆极化微带天线相结合，设计出了一款适合卫星通信系统的ku波段圆极化微带天线阵。

1 圆极化微带天线阵的设计

图1为所述天线阵列的结构图。该阵列由4个圆极化微带天线组成，如图1（a）所示为逆时针旋转。每个圆极化微带天线由辐射单元构成，其上方叠加一个寄生单元。信号由波导输入，同时在波导中设计一个槽来引导信号从波导传输到微带线，从而激励圆极化微带天线。由图1（a）可知由于直接设置在槽上的微带线垂直于槽，A点与B点之间存在180o相位差，基于此180o相位差可以构造出结构相对简单的顺序旋转馈电网络。

为了分析波导上开槽的尺寸对天线性能的影响，利用三维电磁仿真工具HFSS做了如下实验。首先分析槽的短边长度对天线性能的影响，分别取0.8 mm、1 mm、1.2 mm和1.4 mm，得到天线阵的S11、轴比带宽和增益仿真结果如图2所示。

图1 天线阵仿真结构

图2 改变槽的短边长度对天线性能产生的影响

由图2可知，在12.5 GHz附近，槽的短边长度对天线的轴比带宽和增益影响不大，但槽的短边越长，工作频率越低、匹配越好。接下来分析槽的长边长度对天线性能的影响，分别取11.9 mm、12 mm和12.1 mm,得到的仿真结果如图3所示。

图3 改变槽的长边长度对天线性能产生的影响

由图3可知，在12.5 GHz附近，槽的长边长度对天线的轴比带宽和增益影响不大，但槽的长边越长，匹配越好。

通过计算和仿真优化，最终取天线阵的主要参数为：a =13 mm，b=5 mm，槽的短边和长边分别为1 mm和12 mm，辐射元件和寄生元件的宽度分别为8.3 mm和8.7 mm。天线中介质板的相对介电常数为2.2，上下两层介质板的厚度分别为1.016 mm和0.508 mm。两层介质板之间空气层的厚度为2 mm。

该天线阵构成了一个辐射模块，利用该模块也可以方便地设计规模更大的天线阵。

2 仿真结果分析

利用三维电磁仿真工具HFSS对所设计的天线进行了仿真分析，结果如图4～图6所示。

图6 天线阵S11参数仿真结果

图4、5、6为该天线阵的仿真结果。从图6可以看出，S11在-10 dB以下的天线阵带宽大于1 GHz，保证了其宽带性能。从图5可以看出，最佳的增益性能在12.5 GHz左右，在12.25 GHz到12.95 GHz之间可以获得大于13.5 dB的增益。轴比带宽的性能较优，从12.2 GHz到13 GHz可以实现小于3 dB的轴比带宽，验证了较宽的轴比带宽。

图7 天线阵增益方向图

图7进一步分析了在频率点12.2 GHz、12.5 GHz和12.9 GHz处天线在xoz面和yoz面的增益方向图，其中虚线代表xoz面，实线代表yoz面，由该方向图可知，该天线可以实现稳定的圆极化单向辐射。

3 结 语

基于连续旋转馈电网络，本文提出了一种由4个辐射单元组成的Ku波段圆极化微带天线阵。阵列的馈电网络由微带线和波导共同组成，微带线直接给圆极化天线单元馈电，波导通过开槽将信号引导传输到微带线。利用开槽与微带线的耦合机制，设计了一种简单的顺序旋转馈电网络。由于主要的馈电网络是波导，采用该辐射模块也可以构造出更大规模的天线阵，获得更高的传输效率。通过仿真优化，得到了性良好的天线阵列，验证了设计的有效性。