星载5G小型化天线的设计与分析

李 凯，左文成，赵子文，谭康伯

(西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

目前全球信息通信产业正向移动化、宽带化和智能化发展，第四代移动通信技术的性能已经达到瓶颈，而5G移动通信系统的提出进一步拓展了通信技术的性能。5G通信系统采用了毫米波、波束赋形和微基站等技术，在提升系统可靠性的同时提高了传输速率，进一步扩大了应用范围[1-5]。5G通讯技术的高性能、低延迟和高效率等特性使其适用于高速率、大带宽的卫星通讯。目前亚马逊公司拟定的Kuiper计划将在低地轨道部署超过3 200颗卫星，向全球各地的消费者和企业提供低延迟、高速的宽带通信服务[6]。

天线作为通信系统中重要的组成部分，也需要与通信系统的发展特征相适应[7]。现有的低频段带宽资源已不能满足通信需求。高频段5G通信技术的提出，对当前天线设计与发展的研究提出了新的要求[8]。受限于卫星结构，卫星通信往往会对星载高频段天线的小型化问题提出具体要求。

随着5G地面基站技术的发展，文献[9～11]分别对多频段基站天线的小型化进行了具体研究。为了覆盖多个频段，在5G天线的设计中，需要考虑宽带的应用要求。对数周期天线(Log-Periodic Dipole Antenna，LPDA)具有较高带宽、良好方向性且结构简单的优点，目前已被广泛应用于短波、超短波和微波波段通信中[12-14]。然而，传统的对数周期天线存在尺寸偏大的问题，限制了其在结构受限场景中的应用[15]。

鉴于此，本文针对星载5G通信，提出了一种频段适用于sub-6G频段的小型化对数周期天线。本文以某一典型的卫星为平台，分析了其在加载时天线间耦合的特征规律，并为控制星载天线间的耦合影响提供了参考意见。

1 小型化对数周期天线设计

1.1 对数周期天线设计理论

LPDA具有高度的自相似特性。由于天线阻抗和方向特性都是电尺寸的函数，所以电特性和电尺寸息息相关。由天线设计理论可知，在电尺寸不变的情况下，相较于其他天线，对数周期天线可以达到较高的带宽[16]。

图1为典型的LPDA结构图，其振子长度、振子与原点的距离以及振子单元之间的距离均服从一定的等比变化趋势。由比例系数τ、空间因子σ和半顶角α这3个参数中的任意两个即可确定天线的形式。其比例系数τ的定义为[17-18]

图1 典型LPDA的结构示意图

(1)

式中，Ln为第n对振子的长度；Rn为第n对振子到原点的距离；sn为第n对与第n-1对振子之间的距离。空间因子σ的定义如式(2)所示。

(2)

除上述3个参数外，LPDA设计过程中还需考虑分配馈线的特性阻抗Z0。若已知馈电点的输入阻抗为Zin，则Z0为

(3)

式中，Za为振子对的特性阻抗，可通过仿真分析或式(4)计算得到

(4)

式中，L和d分别为振子对的长度和半径。至此得出了典型LPDA的参数设计方法。

由天线设计理论可知，根据天线的工作频率即可选择天线振子单元的长度。考虑到本文的5G应用需求，将待设计的天线工作频段选取为2～6 GHz。通过综合考虑天线的工作带宽、增益和介质材料等特性，由20对振子组成的典型LPDA天线结构参数如图2所示，其中Ln为天线振子单元的臂长，Rn为天线振子单元与馈点的距离，dn为振子单元的宽度。

图2 对数周期天线振子单元的参数曲线

为了便于装配与加载天线，本文中的天线以平面印刷的方式作为基本设计结构，其中介质基板材料为RO4003，其相对介电常数和损耗角正切分别为3.55和0.002 7。

1.2 小型化设计

目前对于LPDA的小型化有多种方法可供选择，最常用的方法有两种：(1)缩短LPDA的横向尺寸，即振子单元的长度；(2)缩短天线的纵向尺寸，即集合线的长度。由LPDA的基本理论可知，集合线的长度和比例系数τ的关联性更大，因此第一种方法更具研究价值。

典型的LPDA贴片天线中，振子单元为矩形贴片，而文献[19]中提出一种梯形振子的结构，并将其作为天线小型化的方法。通过将矩形振子沿纵向扩展成梯形结构，在缩减其横向尺寸的同时保持其辐射特性与典型LPDA相似。缩减后的振子长度为矩形贴片长度的0.8倍，即b′=0.8×b。本文基于上述工作，通过将梯形振子进一步沿横向折叠进行小型化设计，其振子单元的变化过程如图3所示。

图3 振子单元变化的过程

本文所设计的振子单元的形式如图3右侧图所示，梯形振子被弯折为L型。L型的振子由3个结构组成，其中结构1和结构3分别为两个梯形贴片，结构2为90°的扇形贴片，且存在b1+b2=b′。梯形的上边长与原振子的长度一致，均为a，下边长延展至a0。图4为典型LPDA和具有L型振子单元的小型化LPDA(以下简称L型LPDA)的设计结果。

(a) (b)

图4中所示的天线振子对和集合线均为良导体。本文使用集总端口，从振子单元最短处到最长处依次交叉馈电。其中典型和小型化LPDA的尺寸分别为100 mm×90 mm×0.51 mm和100 mm×65 mm×0.51 mm。第1个振子的长度L1为37.5 mm，宽度a为4.5 mm，其与后一个振子之间的间距为7.35 mm。此时对应的比例系数τ和空间因子σ分别为0.88和0.16。L型LPDA中振子单元长为典型对数周期天线振子单元长b的0.61倍，短边为典型对数周期天线振子单元长b的0.19倍。相较于典型的对数周期天线，小型化LPDA的横向尺寸缩小了27.8%。

本文针对典型LPDA的空间因子和比例因子进行设计。不同空间因子和半顶角变化时，典型LPDA的回波损耗(S11)变化情况如图5所示。由图可知，当比例系数τ和半顶角α分别为0.88和10°时，具有较好的回波损耗，仅在几个低频频点附近大于-10 dB。

图5 不同空间因子和半顶角的S11

在给定比例系数τ和空间因子σ后，由式(5)计算得到图5中的半顶角。

(5)

由于典型LPDA中振子单元的形状发生了如图3所示的变化，天线振子表面的电流将会重新分布。梯形结构和90°的扇形连接结构增加了振子表面积，从而改变了天线的辐射特性和端口匹配性能，故下文对天线小型化前后的部分性能进行分析对比。

L型LPDA中与集合线相接的振子上边长a为4.5 mm。本文选取了不同的下边长t，并研究其回波损耗，结果如图6所示。图中方形标记的曲线为t取不同值时频段上的效率，无标记的曲线为S11。

图6 不同下边长对应的S11和效率

由图6可知，当下边长t为6 mm时，该天线具有较好的端口阻抗匹配特性，其对应的S11均小于-10 dB。而当下边长t分别增加或减少0.5 mm时，S11的变化趋势相近，且在部分频段大于-10 dB，此时天线的性能不能满足常规情况下对于回波损耗的要求。因此，后文分析中，L型LPDA的下边长t的取值为6 mm。

比较图5与图6中典型LPDA与L型LPDA的回波损耗结果可知，L型LPDA在工作频段内具有更好的端口特性。典型LPDA在2.3 GHz和3 GHz频点附近的回波损耗不理想，均大于-10 dB，此时有大于30%的能量被反射，天线无法进行正常工作。对于典型LPDA而言，由于个别频点会出现反常谐振现象，因此导致在2.3 GHz和3 GHz频点附近的回波损耗不理想，这也是设计对数周期天线时常遇到的问题。从L型LPDA的回波损耗结果可以看出，本文提出的新设计方案解决了这一问题。

在端口特性满足设计要求后，分别选取了2 GHz、3 GHz、6 GHz共3个频率点的辐射方向图进行分析，并详细讨论了该小型化LPDA的性能。

图7给出了L型LPDA和典型LPDA在不同频点的E面H面的仿真归一化方向图。在图7(a)和图7(b)中，当工作频率为2 GHz和3 GHz时，虽然小型化LPDA方向图的后瓣改变，但主瓣和增益并未有较大改变。在图7(c)中，由于振子单元的结构有所改变，因此在工作频率为6 GHz时，小型化LPDA方向图的后瓣恶化。由图7可知，小型化LPDA的E面H面的方向图和典型LPDA方向图相比均有一些恶化。

(a)

弯折振子单元会导致天线的结构发生改变，从而导致天线的辐射特性和方向图改变。在设计过程中，要兼顾性能和尺寸的要求，因此需要在小型化和天线性能之间权衡。

2 小型化LPDA在卫星中的应用

在卫星通信[20]中，周围介质或导体的存在会影响天线之间的工作性能，因此本文讨论了L型LPDA在卫星表面环境下的相互影响，并分析了卫星结构和天线位置对天线间耦合度的影响。

以某卫星为例，其模型如图8所示。在卫星端面居中放置两个L型LPDA，用于模拟卫星通信时天线的互耦情况。天线均工作在sub-6G频段，用于数据传送、信息通讯。L型LPDA的摆放位置如图9所示，其位于卫星的顶端，由支撑杆固定，多个支撑杆之间的距离可调。

图8 卫星模型图

(a) (b)

两个L型振子单元LPDA以垂直及水平方式放置的耦合度如图10所示。天线间的距离为150 mm和300 mm。图10(a)为两天线平行放置于同一平面的耦合度结果，图10(b)为两天线相互正交放置的耦合度结果。相较于垂直放置，水平加载情况下的最大耦合度为-45 dB，而图10(b)的最大耦合度为-40 dB，其结果要大于图10(a)给出的最大值。垂直放置时，除几个特殊的谐振频点外，耦合度均小于水平放置情况。上述结果表明，在天线的摆放位置固定的情况下，研究两个天线的放置方式有利于控制天线间的耦合，这对星载多天线的深入研究具有积极意义。

(a)

3 结束语

本文设计了一种可用于卫星加载的小型化5G对数周期天线。相较于传统的天线形式，小型化LPDA的横向尺寸缩小了27.8%，并具有更好的阻抗匹配性能，且天线的增益基本不变，能较好地满足卫星载荷紧凑化、轻量化的应用要求。本文以某典型的卫星为平台，对天线加载卫星后的耦合度进行分析，对天线间耦合度的有效控制进行了探索。本文工作对于星载5G通信的应用研究具有一定的实际意义。