Ka波段衛星通信雙極化微帶陣列天線研究

　　對混合饋電結構的兩種饋電方式的傳輸模型進行分析，確定縫隙的形式“H”型縫隙;然后介紹介質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構和仿真結果進行分析。測試結果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內，駐波優于3.0，端口隔離優于-40dB，增益優于17dB。

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　　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，設備體積小的特點。因此，Ka頻段衛星通信系可為高速衛星通信、千兆比特級寬帶數字傳輸、高清晰度電視(HDTV)、衛星新聞采集(SNG)、VSAT業務、直接到戶(DTH)業務及個人衛星通信等新業務提供一種嶄新的手段。現代衛星通信頻譜資源日益緊張，雙極化微帶天線可以實現頻率復用，同時發射或接收兩個正交極化的電磁波，通信容量增大一倍，實現極化分集接收，減小多徑傳播影響，可實現移動衛星通信，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縫隙陣列，可實現很強，但是一直沒有得到應用。制約其發展的很大因素是加工工藝問題。本文在傳統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計

　　本文確定采用微帶混合饋電方式實現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，需要在設計過程考慮介質基板、粘結膠等影響因子。下面介紹雙極化微帶天線單元的設計過程。

　　2.1 介質基板的選取

　　微帶天線的設計首先需要選擇合適的介質基板，其性能對天線性能指標影響很大。介質基板的選擇主要依據兩個方面[3]：材料屬性和幾何屬性。材料屬性包含介質基板的介電常數、損耗角正切等;幾何屬性主要是介質板的厚度。一般情況，隨著介質基板的介電常數的升高，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，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，并且基板的厚度受到板材規格的限制。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、損耗角正切和介質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，實際設計過程中應根據實際應用選擇[4]。本文設計中三層介質基板Die1、Die2和Die3均采用Rogers RT/ Duroid 5880聚四氟乙烯作為介質基板材料，厚度為10mil。選用此規格介質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，饋電網絡引起的損耗較小，一般為，天線輻射效率較高。

　　2) 選用厚度為10mil的規格，主要出于對天線單元的匹配特性和陣列功分網絡設計的綜合考慮。厚度較厚便于天線單元共面微帶饋電的匹配，但是陣列功分網絡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。

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

　　2.2 微帶輻射貼片設計

　　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，不考慮由于粘結膠引起的等效介電常數的變化，取中心頻率，介電常數可計算出W=3.37mm，L=2.67mm。由于本文設計的輻射貼片采用方形貼片，為了實現雙極化，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 微帶陣列天線設計

　　在陣列設計時，陣列單元、陣元間距、陣列單元排布形式、陣列單元饋電權值、饋電網絡形式等均需要確定。本文設計16單元陣列，均勻分布，且等幅同相饋電，陣元間距和饋電網絡的形式需要進一步確定。

　　3.1 陣列饋電方式選取

　　饋電網絡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，達到陣列綜合的目的。選取饋電網絡形式的主要原則有：結構簡單、易匹配、損耗小、帶寬等。陣列饋電形式主要有并聯饋電(圖1(a))和串聯饋電(圖1(b))兩種形式，以及兩者組合饋電。兩中饋電方式各有優勢。

　　并聯饋電設計簡單，各陣元所要求電流激勵幅度和相位容易分配。并聯饋電的饋電網絡與陣列單元相對獨立，這為陣列綜合提供了很好的設計前提，并且容易實現寬帶匹配。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。

　　串聯饋電是將天線陣元用微帶傳輸線串聯連接起來，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絡。串饋陣列各單元互相影響，設計復雜，帶寬也比較窄。但是，相比并聯饋電，串聯饋電有以下優點：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，利于饋電網絡放置;不用單獨設計饋電網絡。

　　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。 按格林函數法分析四元陣系統的結果(如圖2所示)表明：當單元間距[d=0.8λ0]時能獲得最大方向性系數，而當[d=0.76λ0]時能獲得最大增益。

　　互耦的影響可通過適當的選取單元間距d來處理。典型的單元間距應該使得E面耦合系數[S212<-20dB]，H面耦合系數[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 陣列優化流程

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

　　4.2 無過孔雙極化微帶天線陣列仿真

　　經過前文的論證，確定陣列饋電選用并聯饋電方式，其中2×2陣列中，共面饋電采用反相并聯饋電，耦合饋電采用同相并聯饋電，單元間距采用0.765λ0。下面利用Ansys designer對4×4雙極化微帶陣列優化結果進行分析說明。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，修正了部分結構不對稱性，但是正如前文所述，180°相移段會引入色散效應，在仿真結果中可以看出。共面饋電主要采用左右反相饋電技術，同時上下鏡像來修正結構的不對稱性，從而改善交叉極化性能，但是色散效應依然不可避免。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行仿真優化，仿真結果如下列表所示。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帶寬內均優于-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。從中很容易發現，水平極化增益整體優于垂直極化增益約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均優于-27dB，能夠滿足實際需求。

　　指標 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%;水平極化增益優于17.5dB，垂直極化增益優于16.4dB，兩種極化增益相差約2dB;副瓣電平均接近或優于-12dB;交叉隔離均接近或優于-30dB;端口隔離均優于-30dB。所列舉指標中，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構示意如圖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)為層結構示意。如(c)中所示層結構：Die表示為介質基板，仍然選用介電常數為2.2，厚度為0.254mm的Rogers 5880;粘結膠即為前文提到的FR28半固化片，介電常數為2.6，厚度為0.1mm;layer**表示金屬層，**標號為層標號，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。

　　利用Ansys Designer對雙極化微帶天線的匹配特性和輻射特性進行仿真優化，并利用Ansys HFSS進行了驗證，兩者仿真結果相仿，具體仿真結果如下列表所示。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帶寬內均優于-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，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均優于-27dB，性能優良，符合實際需求。

　　指標 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%;水平極化增益帶內增益優于18.3dB，垂直極化增益優于17.9dB，兩種極化增益相差約0.5dB;副瓣電平均接近或優于-11.5dB;交叉隔離均接近或優于-30dB;端口隔離均優于-25dB。匹配特性和輻射特性均良好，能夠滿足要求。

　　5 結束語

　　本文結合加工工藝對天線的結構形式進行了充分論證，并提出雙極化微帶天線單元設計中的潛在問題，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。測試結果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內，駐波優于3.0，端口隔離優于-40dB，增益優于17dB。

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