一种同步卫星C波段微带天线的设计分析

商　锋, 朱亚坤, 陈文学

(西安邮电大学 理学院， 陕西 西安 710121)

微带天线(microstrip antenna)是在一个薄介质基片上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀方法制成一定形状的金属贴片，利用微带线或同轴探针对贴片馈电构成的天线[1]。矩形微带天线的设计和制造工艺简单，广泛地应用在无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统来传递电磁波信息[2]。同步卫星天线一般要求法相增益≥9.5dBic，扇面正前方向波束宽度±16°增益≥6.5dBic，扇面仰角30°波束宽度±16°增益≥0dBic。单个微带天线的辐射效率比较低，增益不高，一般只有5～6 dBi[3]，不能达到卫星同步卫星通信的指标要求。近年来，国内外的学者在提高微带天线的辐射效率和增益方面做了大量的研究，并提出一些改进方法，如改变天线结构尺寸[3-4]，采用异型材料[5]，或通过表面波抑制[6-7]等。改变天线结构一般会增加天线的重量，而异型材料又比较昂贵，表面波抑制技术难度比较大，所以，在微带阵列天线研究方面，平面微带相控阵天线一直是国内外研究的热点。阵列天线或相控阵天线[8]具有高增益、高功率、低副瓣、波束扫描和窄波束等特性，使其广泛应用于军事和民用领域，例如应用于各种雷达、通信、遥测、遥控和遥感等设备。本文以同步卫星使用的C1(3 806-3 846 MHz)波段天线为应用背景，同步卫星天线的参数做要求，采用微带贴片的结构，用Ansoft HFSS设计仿真并加工成实物进行统一性、可行性验证，论述了微带贴片双点馈圆极化阵列天线的设计。

1　天线设计理论

1.1　微带贴片天线的设计

微带天线设计的一般要求是在指定的工作频率上得到特定的工作特性。为使微带天线满足这一要求，要选择具有合适的几何形状的贴片。考虑矩形微带天线的设计、制造工艺简单，在没有特殊要求的情况下，首选矩形贴片。对于介质基板厚度h、相对介电常数εr，天线的中心工作频率f0，矩形贴片的实用宽度[9-10]为

(1)

式中c为真空中的光速。

当选用大于式(1)的宽度时,天线的辐射效率会提高,但此时天线将产生高次模，从而引起场的畸变，如果选用小于式(1)的宽度，则会引起天线辐射效率的降低，故一般矩形天线单元的宽度最好选取由式(1)确定的值[9]。

确定了矩形微带贴片的宽度后,则介质基板材料的相对有效介电常数为

(2)

微带贴片天线边缘场所引起等效伸长的长度为

(3)

1.2　阵列天线空间方向图

在一个天线阵列中有N个单元，若第n个阵元在阵中单元方向图为fn(θ,φ)，在阵中位置为(xn,yn,zn)，其激励系数为Inejφn，其中In为激励幅度，φn为激励相位，则按叠加原理该阵列空间方向图[11-12]为

(4)

式中k=2π/λ为自由空间波数，λ为工作波长。

采用阵元相同，其单元方向图为f0(θ,φ)，阵列边缘效应忽略不计时，阵列方向图可写成

(5)

f(θ,φ)=f0(θ,φ)S。

(6)

式(6)表明，阵列的空间方向图可表示为阵元的单元方向图与阵因子之乘积。一般来说，当阵元数N较大时，阵元方向图波瓣较宽，相乘之后单元方向图对阵列辐射波瓣形状影响较小，阵因子的空间特性基本决定了阵列的空间辐射特性，但对于小型阵列，阵元空间特性也将影响阵列方向图。

2　微带阵列天线设计方案

针对天线法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束宽度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°，波束宽度±16°增益≥0 dBic，且天线各个频点下的前后比≥10 dB等技术指标和天线工装尺寸小于450 mm×320 mm等要求，对天线作出设计如下。

工作于主模的微带天线，其方向图在水平面上360°均匀辐射，法向方向(仰角90°)为最大辐射方向，垂直方向图具有一定宽度的波束。根据天线阵的方向图乘积定理，两元等幅同相，且相距为0.75倍波长的直线阵方向图如图1所示，使用这种两元阵可以实现天线方向图为扇形，其两元之间的距离需在仿真中做适当调节，以满足波瓣宽度的要求。

图1　两元阵合成方向图

3　仿真及结果

天线阵方向图乘积定理，利用Ansoft HFSS仿真软件进行C1波段阵列天线的仿真设计。

建立模型如图2，其中，接地板尺寸取为320 mm×320 mm×4 mm，介质板尺寸为30 mm×30 mm×4 mm，辐射贴片宽度为19.4 mm×19.4 mm并在贴片四周加枝节以便调试。

图2　天线仿真模型

利用Ansoft HFSS软件对所设计的天线进行仿真，可以分别得到天线的电压驻波比如图3，以及天线在低频点、谐振点、高频点的极化增益方向图分别如图4—图10所示。在极化增益方向图中采用极坐标，其中ρ表示增益，单位为“dB”，θ表示角度，单位为“°”，各点坐标(Theta，Ang,Mag)单位分别为“°”、“°”和“dB”。

图3中M1点坐标为(3 806,1.024 4)，M2点坐标为(3 826，1.459 8)，M3点坐标为(3 846，1.487 6)。从图中可以看出，天线在3.806～3.846 GHz频带范围内，电压驻波比小于1.5，具有良好的阻抗带宽。

图3　天线仿真电压驻波比

图4和图5分别为低频点(3 806 MHz)水平和垂直增益方向图。图4中M1点坐标为(0，0，5.456 8)，M2点坐标为(-16，-16，3.229 3)，M3点坐标为(16，16，3.779 8)。图5中M1点坐标为(0，0，9.982 2)，M2点坐标为(-16，-16，6.790 9)，M3点坐标为(16，16，6.862 6)，可以看出，在低频点天线法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束宽度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束宽度±16°增益≥0 dBic。

图4　天线仿真3 806 MHz时仰角30°增益图

图5　天线仿真3 806 MHz时垂直面增益图

图6和图7分别为谐振点(3 826 MHz)水平和垂直增益方向图，图6中M1点坐标为(0，0，5.736 6)，M2点坐标为(-16，-16，3.527 3)，M3点坐标为(16，16，4.025 3)。图7中M1点坐标为(0，0，10.176 3)，M2点坐标为(-16，-16，7.025 1)，M3点坐标(16，16，7.062 3)，可以看出，在谐振点天线法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方向波束宽度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束宽度±16°增益≥0 dBic。

图6　天线仿真3 826 MHz时仰角30°增益图

图7　天线仿真3 826 MHz时垂直面增益图

图8　天线仿真3 846 MHz时仰角30°增益图

图9　天线仿真3 806 MHz时垂直面增益图

图8和图9分别为高频点(3 846 MHz)水平和垂直增益方向图，图8中M1点坐标为(0，0，5.665 1)，M2点坐标为(-16，-16，3.468 6)，M3点坐标为(16，16，3.909 3)。图9中M1点坐标为(0，0，10.000 7)，M2点坐标为(-16，-16，6.893 4)，M3点坐标为(16，16，6.893 5)，可以看出，在高频点天线法相增益≥9.5 dBic,扇面正前方向波束宽度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束宽度±16°增益≥0 dBic。

图10为天线阵的3D增益方向图。从图可以看出，天线辐射方向图为扇形，最大辐射方向增益为10.17 dBic，满足设计要求。

图10　天线仿真3维增益方向图

4　天线实物和测试结果

根据Ansoft HFSS软件仿真优化得到如图11所示尺寸并用Auto CAD软件画出PCB版图，加工出实物如图12所示。

在Agilent公司矢量网络分析仪上进行调试，将谐振点调试到C1频段的中心频率3826MHz处。通过海天天线方向图处理系统得出天线方向图，经过整理计算得出C1频段天线方向图数据结果如表1。

图11　天线仿真优化尺寸

图12　天线加工实物图

频点/MHzPhi=0法向增益/dBic最大辐射方向增益/dBic天线正前方前后比/dBTheta =60°(30°仰角)Phi=0°增益/dBic±16°波瓣增益/dBicH面±16°最大轴比/dB Phi=90°法向增益/dBic最大辐射方向增益/dBic天线正前方前后比/dB38069.009.3723.455.93.5510.449.009.1725.6138169.439.8424.055.153.8110.069.459.6124.5438269.329.8123.195.123.710.229.329.526.8338369.4910.1621.325.293.739.499.459.5628.1438469.2710.1020.735.203.559.199.279.3429.038569.4410.2620.475.253.528.829.449.5228.7238669.019.8519.675.183.488.859.019.1028.24

从表1结果可见，天线实物的测试结果与仿真结果基本相符，说明了所设计的该天线的可行性，且符合设计要求。

阵列天线单元的安装精度、结构误差和环境载荷导致的阵面平面度的变化都会影响天线的电性能，在阵列天线远场中不能只考虑远场因子方向图而忽略天线单元的极化差异。

5　结语

在分析微带阵列天线理论的基础上，采用矩形辐射贴片，双点馈圆极化的两元等幅同相、且相距为0.75倍波长的直线阵结构和接地板尺寸为320 mm×320 mm×4 mm，介质板尺寸为30 mm×30 mm×4 mm，辐射贴片宽度为19.4 mm×19.4 mm的尺寸，通过软件仿真、优化等步骤，设计了一种应用于同步卫星C1波段的微带阵列天线。天线法相增益≥9.5 dBic，扇面正前方波束宽度±16°增益≥6.5 dBic，扇面仰角30°波束宽度±16°增益≥0 dBic且天线各个频点下的前后比≥10 dB。通过实物加工和测量结果表明，测试指标参数与仿真结果基本一致。此天线结构在工程实践中具有一定的实用价值。