一种用于卫星通信系统的三频天线设计

王 辂，郑宏兴，张玉贤

（天津职业技术师范大学天线与微波技术研究所，天津 300222）

近年来，卫星通信系统得以迅速发展，天线作为系统终端设备的关键部件之一，直接影响设备接收信号的质量。由于微带天线具有剖面轮廓低、易于加工和集成等特点，人们对它进行了大量研究[1]，目前已经广泛应用于通信和导航等领域。微带天线实现多频工作构成方法有单片法[2-4]和多片法[5]。单片法又分为多模法和加载法，它们分别是在单个贴片上产生不同谐振频率或加载电抗，从而增加相应的工作频率；多片法则是把几个贴片同时激励以产生不同谐振频率。当卫星通信系统的工作频率间隔较大时，常应用多片法设计天线。文献[6]中采用在辐射贴片边缘开两个L形槽，通过改变高次模的电流流向，实现了双频带天线。文献[7]中采用在辐射贴片上开T形槽，使天线达到双频的效果。在这2种方法的基础上，本文采用贴片天线形式，克服了微带天线频带窄的缺点，而馈线采用微带结构，分别在贴片上引入T形槽和L形槽的方式，产生三频工作状态，进而设计了一种可以用于卫星通信系统终端的天线。

1 天线结构设计

根据IEEE 521-2002标准，X波段是指频率在8～12 GHz的无线电波波段，通常下行频率为7.25～7.75 GHz，上行频率为7.9～8.4 GHz。在空间应用方面，X频段具有空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。C波段是指频率在4～8 GHz的无线电波波段，可应用于通信卫星下行传输信号的频段。在卫星电视广播和各类小型卫星地面站应用中，该频段被广泛使用。通常的上行频率范围为5.925～6.425 GHz之间，下行频率则为3.7～4.2 GHz。Ku波段是指频率在12～18 GHz的无线电波波段，这是卫星之间的通信波段，例如，国际空间站和航天飞机通信用的跟踪与数据中继卫星。在卫星广播领域里，Ku波段是常用的波段之一。

本文设计了一种能应用于卫星通信系统的三频天线，在频率为5.77 GHz、9.17 GHz和13.21 GHz处发生谐振，并拥有足够的带宽，使天线可以工作在3个频率范围。本文选用介电常数为4.4的FR4介质板，厚度为1.6 mm，采用微带线侧馈方法，对天线进行馈电。辐射贴片的形状为圆角的矩形，圆角的半径为R，如图1（a）所示，对辐射贴片进行开矩形槽处理，所有槽的宽度均为Wslot，沿辐射贴片的左上侧和右下侧分别开L形槽，并在辐射贴片中心区域开T形槽。槽的长度L1～L6如图1（a）的标注所示，它们的大小可以调节天线的输入阻抗，从而影响天线的回波损耗S11。适当选取尺寸，一方面可以减小天线的体积，另一方面使天线增益保持在一定的范围内。最后，采用Wgnd×Lgnd的矩形接地面，通过改变Wgnd，能够调整高频区域的S11。

图1 天线结构图

2 参数优化

2.1 辐射贴片开槽的电流分析

对天线的辐射贴片开槽，相当于引入串联电感。贴片天线从馈源到最远辐射边上的直线路径变为经过槽的曲线路线，从而增加了电流流动的路径，如图2所示。当增加L形槽的长度时，天线辐射贴片的表面电流路径增加，使谐振点向低频移动。通过改变L槽的长度，可以调整谐振点的位置。

图2 辐射贴片上的电流流向情况

如图2（a）所示，电流沿微带线馈入，直接流向于辐射贴片上，电流流动的路径较短，馈入的电流基本围绕在辐射贴片的边缘上，在相应的中心区域的电流很弱，这时天线的辐射受制于边缘的电流；如图2（b）所示，在辐射贴片中心仅加入一个“T”形槽，由于中心区域的电流较弱，此时，“T”形槽对电流分布的影响不大；如图2（c）所示，对辐射贴片的边缘仅加入两个“L”形槽，将围绕在辐射贴片上的电流导入到贴片的内侧，增大了中心区域的电流，增加了电流流动的路径；如图2（d）所示，对辐射贴片上加入2个“L”形槽和1个“T”形槽，增大了贴片中心的电流，使沿槽方向的电流能够形成回路，从而提高了天线的增益和辐射效率。

图3所示为S11随槽的变化情况，曲线 a、b、c、d分别对应图 2 中（a）、（b）、（c）、（d）的回波损耗的结果。

图3 S11随槽的变化情况

由图3可见，曲线a和曲线b的结果基本一致，说明了仅在辐射贴片的中心区域开槽，并不能改变天线的性能。对辐射贴片的边缘开2个“L”形槽，这时天线才能呈现三频特性，仍未满足卫星通信系统所需要的频段。若在此基础上再开“T”形槽，再进行仔细地调整天线的结构参数，可使S11满足所需，其分析结果与图2的过程保持一致。

2.2 辐射贴片开槽尺寸的分析

以下讨论3个开槽结构对天线性能的影响。在保证其他参数保持不变的前提下，分别调整开槽结构上的每一个参数。

若减小L1，会降低8 GHz和13 GHz处的S11，当L1小于9 mm时，在8 GHz处也产生谐振，这并不符合要求，所以L1不宜太小，如图4所示。若减小L2，3个谐振频率都会增大，这时会增加S11，需要适当选取L2的长度，如图5所示。

图4 S11随L1的变化情况

图5 S11随L2的变化情况

若增大L3，3个谐振频率都会降低，且降低S11，提高了天线的增益，如图6所示。若L4减小，在天线的高频谐振点处所对应的谐振频率增大，且降低S11，如图7所示。

调节L5、L6不会直接影响到谐振频率，但能有效地降低S11，由此弥补因调节L1～L4造成S11较大的情形，如图8、图9所示。经过多次调整参数，所设计的天线能达到所需要的谐振频率以及S11。

2.3 天线的其他参数分析

图6 S11随L3的变化情况

图7 S11随L4的变化情况

图8 S11随L5的变化情况

图9 S11随L6的变化情况

参数R表示矩形圆角处圆的半径。若减小R，高频处的2个谐振点的S11会受到影响，当R=0 mm时，即为方角时，高频部分的S11会迅速升高，如图10所示。

图10 S11随R的变化情况

参数Wgnd表示接地面的宽度，若减小Wgnd，可有效地减小天线的体积，同时，由图11可以看出，Wgnd越小，9 GHz和13 GHz处的谐振频率间隔就越大。

图11 S11随Wgnd的变化情况

3 仿真结果

由图2至图11分析，优化后得到这种三频天线的物理参数，如表1所示。

表1 优化后的天线参数mm

这种天线能有效地工作在4.74～6.66 GHz、8.78～10.02 GHz和12.68～14.58 GHz 3个频段，分别在C波段、X波段和Ku波段内。通过HFSS15.0.2仿真后，得到天线参数的S11和VSWR仿真结果，如图12所示。这种三频天线满足卫星系统的要求。

优化后天线的远场方向图如图13所示。由图13可见，当频率较低时，天线的方向图呈现很好的全向特性。观察H面，在频点为5.77 GHz时，辐射场保持圆周的形状，满足全向辐射的要求；在频点为9.17 GHz和13.21 GHz时，辐射场曲线呈现凹凸不规则的形状，全向性有所降低。观察E面，在频点为5.77 GHz时满足“8”字形的指向性，具有较低的交叉极化电平；当频点为9.17 GHz和13.21 GHz时，因交叉极化电平升高，方向图产生一定程度的变形。

图12 优化后天线的近场参数

图13 优化后天线的远场方向图

根据上述优化过程，制作出相应的天线实物，如图14所示。用矢量网络分析仪AV3620测量，其实测结果与仿真过程的结果一致。

图14 天线实物图

4 结束语

本文设计了一个用于卫星通信系统的三频天线，其结构简单，加工方便，保持天线的增益。通过对辐射贴片进行开槽处理，分析该辐射贴片上的电流分布，说明了开“L”形槽和“T”形槽能实现三频特性，适当调整天线的参数，使天线满足卫星通信系统的要求。

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