射频微带阵列天线设计毕业论文

卫星通信双线极化天线馈源阵列分析的论文

摘要 ：本文介绍了一种用于Ku频段卫星通信的双线极化天线馈源阵列，该馈源阵列可应用于单反射面或双反射面的卫星通信天线中，实现对通信卫星的小角度、高速、高精度电子波束扫描和跟踪，降低卫星天线对机械伺服结构精度和动态跟踪的要求，从而大幅降低伺服系统成本，拓展动中通卫星天线在民用领域的应用。

关键词 ：馈源阵列；动中通；微带天线

1引言

星地动中通天线系统满足了用户通过卫星在动态移动中传输宽带数据信息的需求，使车辆、轮船、飞机等移动载体在运动过程中可实时跟踪卫星，不间断传送语音、数据、图像等信息[1][2]。目前，动中通天线主要用Ku频段与固定轨道卫星进行通信[3]，需同时覆盖上行/下行频段，其中上行频段为，下行频段、，上行和下行频段为双正交的线极化。为保证卫星与地面移动设备间的流畅通信，动中通天线要实时指向通信卫星，同时为避免天线发射时对邻近卫星的干扰，移动设备在运动中天线的跟踪误差要小于°，并且馈源也要进行旋转跟踪，接收和发射间的极化隔离度要大于30dB[4][5]。国内外已有多家企业推出了动中通天线产品，如以色列RaySat公司的多组片天线、美国TracStar的IMVS450M产品等[6]。为满足天线对卫星的高精度实时跟踪对准的要求，上述动中通天线中均包含有自动跟踪系统，在初始静态情况下，由GPS、经纬仪、捷联惯导系统测量出航向角、载体所在位置的经度和纬度及相对水平面的初始角，然后根据其姿态及地理位置、卫星经度自动确定以水平面为基准的天线仰角，在保持仰角对水平面不变的前提下转动方位，并以信号极大值方式自动对准卫星。在载体运动过程中，测量出载体姿态的变化，通过数学运算变换为天线的误差角，通过伺服机构调整天线方位角、俯仰角、极化角，保证载体在变化过程中天线对星保持在规定范围内，使卫星发射天线在载体运动中实时跟踪地球同步卫星。高精度的伺服系统始终是传统动中通天线系统的关键部分。通常情况下，由于动中通天线具有较大的口径（一般约为）及重量，造成了高精度伺服系统具有较高的成本。目前，应用于动中通天线的高精度伺服系统成本动辄数万、甚至超过十万，占整个动中通天线系统成本的很大部分，限制了动中通卫星天线在民用领域的广泛应用[5]。

2双线极化天线馈源阵列

为了克服现有的动中通天线跟踪伺服系统所需精度高、成本高等缺点，我们开发了一种双线极化天线馈源阵列，可应用于单反射式或卡塞格伦式卫星通信天线中，结合后端的多通道数字波束形成（DigitalBeamForming，DBF）技术实现天线系统的机电融合跟踪，最终通过“大角度低精度机械跟踪”与“小角度多通道DBF精确跟踪”相结合，在实现天线系统对卫星的高精度跟踪对准的同时，降低对伺服系统的精度要求，从而降低伺服系统的成本。此馈源阵列为中心对称式结构，阵列的中心放置在单反射式或卡塞格伦式天线的焦点处，当对阵列中不同单元进行馈电时天线将辐射不同指向的高增益波束，此时再结合后端的高精度DBF技术可实现小角度范围内高精度的波束指向控制。馈源阵列采用基于微带印刷电路板的“法布里-帕罗”天线形式，阵列由三层结构组成，其中底层为带金属地板的微带反射板，中间层为微带形式的天线结构，顶层为一块起增强定向性作用的纯介质板。

底层结构

馈源阵列的底层为一侧附铜并开有8个馈电孔的介质板，SSMA以及空心铜柱通过馈电孔焊接在底层介质板上，发射天线馈口和接收天线馈口分别有4个馈电孔。图2为底层电路板结构示意图。

顶层结构

顶层介质板是将覆铜板全部刻蚀掉的介质板，构成了“法布里-帕罗”的上层结构。图3为顶层电路板结构示意图。

中间层结构

中间层电路板两侧分别刻蚀了发射天线、接收天线及其附属馈电线路，其中，为焊接方便，焊盘均在一侧。为隔绝表面波对天线方向图的影响，天线阵列由格状金属条带分割，电路板两侧均有金属条带，并由金属化通孔相互导通。图4为中间层电路板结构示意图。中间层电路板上的微带阵列单元采用一对交叉的金属偶极子结构分别实现收/发的功能，两金属偶极子分别印刷于中间层微带介质板的正面与背面，分别工作于收/发（下行/上行）频段，并且交叉偶极子结构可对应实现收/发所要求的两正交线极化。阵列单元通过同轴底馈的方式实现馈电，其中偶极子的两臂分别与同轴接口的内芯以及外壁通过一段印刷细导线相连，这里采用细导线以减小馈电结构对收/发间隔离的影响。为进一步减小馈电结构对收/发间隔离所带来的影响，在设计中将同一位置处的两偶极子结构通过一段印刷细导线相连，通过其长度、粗细等参数可利用合适的对消手段来实现收/发之间的高隔离。通过在阵列单元周围引入一圈密集的金属化通孔结构，并且在电路板上设计金属附加结构以隔离介质中的表面波，从而降低阵列单元间的互耦。

馈源阵列的装配

馈源阵列的三层电路板由数个尼龙螺柱进行固定，图5是馈源阵列的立体分解及整体装配示意图。在馈源阵列结构中，通过调节金属偶极子的'臂长，可调节天线的工作频率。通过调节顶层介质基板与中间层电路板间的距离，可方便地调节辐射增益以适应不同反射面尺寸及焦距的需求。

3仿真及实测效果

馈源阵列的端口1、端口3、端口5、端口7为接收端口，端口2、端口4、端口6、端口8为发射端口。图6是馈源阵列的仿真和测试回波损耗结果图。由图6可见，接收端口和发射端口回波分别在和范围内小于-10dB，达到了良好匹配。图7是馈源阵列在工作频点的仿真及实测接收方向图。由图7可见，工作于时，天线在天顶方向的增益为15dB，副瓣比主瓣低10dB（仿真）/18dB（实测）。图8是馈源阵列在工作频点的仿真及实测发射方向图。由图8可见，工作于时，天线在天顶方向的增益为15dB，副瓣比主瓣低11dB（仿真）/10dB（实测）。

4结束语

本馈源阵列采用微带印刷电路板结构，简单紧凑、工艺成熟、加工简单、成本较低且适用于大规模生产。相比于传统的波导口、波导喇叭等馈源结构，可在较小的面积内实现多个单元以及收/发通道，从而利于实现更高精度的波束指向控制。同时，馈源阵列采用的对消技术可在天线结构端实现同一位置处接收/发射通道之间30dB的隔离度，减轻了后端器件的压力。从实际应用来看，天线馈源阵列与主反射面配合，实现了动中通卫星天线对Ku频段通信卫星的小角度、高速、高精度电子波束扫描和跟踪。采用这种技术，大幅降低了天线对伺服系统精度和动态反应速度的要求，把伺服系统的成本降低了一个数量级，有助于推动卫星天线在天地一体化通信中的规模应用。

参考文献

[1]徐烨烽.创新引领、精进发展、规模应用-谈动中通天线发展新趋势[J].卫星与网络，2013，09：39-40.

[2]LouisJ.，IppolitoJr著.孙宝升译.卫星通信系统工程[M].北京：国防工业出版社，2012，3.

[3]MiuraA.，Yamamotos，Huan-bangLi，[J].，2002，51（5）：1153-1164.

[4]刘昌华.移动载体卫星通信系统天线跟踪技术的研究[硕士学位论文].西安电子科技大学，2009，3-4.

[5]汤铭.动中通伺服系统的设计[J].现代雷达，2003，25（4）：51-54.

[6]阮晓刚，汪宏武.动中通卫星天线技术及产品的应用[J].卫星与网络，2006，3：34-37.

应用分析与设计方法应用情况微带天线具有小型化、易集成、方向性好等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。馈电方式与阻抗矩形微带天线的馈电方式基本上分成侧馈和背馈两种。不论那种方式，其谐振输入电阻Rin很大，为使Rin与50Ω馈电系统相匹配，则阻抗变换器是不可少的。为实现匹配，输入阻抗的大小必须知道。整个微带天线的输入导纳可看作是一个缝的导纳，经长度为L的低特性阻抗传输线变换后，再与另一个缝的导纳并联，谐振状态其输入电纳为零，输入导纳等于两倍的输入电导Yin-2G∑〃当Wλ时，G∑〃=w2/90λz其值通常比微带传输线的特性导纳小很多，接近开路状态，因此限制了天线的阻抗频带。为了使频带加宽，可增加基片的厚度，减小基片的εr值，以使特性导纳降低；再增加W使辐射电导提高。由上式可见，方向函数由两个因子组成，其中一个sinθ即基本磁阵子的方向函数；另一个就是长度为L的等幅同相连续阵的阵因子。矩形微带天线单元的辐射就等于上述裂缝组成的间距为L的二元阵的辐射。如图3所示二元阵本文转自微波仿真论坛天线的辐射场为 ，r是微带中心到场点的距离。由于hλ，故F2(θ,φ)≈1同样(4) 由上式可见，若φ=0，则此平面上仅有Eθ分量，故此平面为E面；而在φ=90°平面，Eθ=0，仅有Eφ分量，故为H面，这是与波传播方向垂直的平面，最大辐射方向在θ=0即z轴。这是因为激励二元阵的特点。该型炮弹引信微带天线采用侧馈方式，在制作侧馈的矩形微带天线时，可按下述方法实现匹配：将中心馈电天线的贴片同50Ω馈线一起光刻制作，实测其输入阻抗并设计出匹配变换器，然后在天线辐射元与微带馈线间接入该变换器就做成所需的天线。辐射模型图4所示为该型天线式样图4某型引信微带天线由实地测量、试验等方法，可得出其εr,f0,h,W,L,并由上述公式得出微带天线εe,λg,Z0。以传输线理论分析方法为依据，用等效磁流的观点建立模型。同时根据电压波形考虑微带两开口端辐射，以及两转折弯头的辐射，给出各不连续处的电场，得到磁流的大小与方向。由于金属底板的反射，用镜像的原理得其相应的场源分布情况。微带天线上各处辐射情况如图5所示。图5该型微带天线的辐射模型定量分析方法由天线辐射原理模型可以看出，共有6对磁流源，y轴平行排列着Im6Im′6，Im1Im′1，Im3Im′3，Im5Im′5，x轴轴向排列有Im2Im′2，Im4Im′4等。求解总辐射场时，可看作是这5个二元缝阵辐射场的叠加。图5中所标的字母Im1，Im2，Im3…等，是以Im1点为参考所作的归一化，用来表示各辐射点电场幅值的大小；另外用β1，β2，β3表示Im3，Im5，Im6点电压相位滞后于Im1点的数值。这些数值的获取是通过对微带贴片的实际测量，代用公式求得微带上传输波的波长并求得相应的波形，这样各点相位滞后情况就可知道，代用式(1)便可求出各点的等效磁流的大小。由于测量的误差，势必造成计算结果的失真，严重时，可能导致所得到的天线参数与实际情况背离很远。针对上述辐射源排列，现简单的作一探讨，列出其辐射方程，供大家讨论。该情况下，天线方向图的E面、H面上有水平和垂直两种极化方式。求解时单独考虑。(1)φ=90°平面上，Im1-Im′1，Im6-Im′6，Im3-Im′3，Im5-Im′5组成的辐射阵，在该面上只有Eφ分量，Im2-Im ′2，Im4-Im′4组成的辐射阵，则只有Eθ分量。所以存在两种极化方式。公式如下：上述式(5)、(6)、(7)、(8)描述了该型微带天线辐射的情况。C语言编程实现该过程。由模拟出的方向图可以较清楚地看到，φ=90°平面即垂直于弹轴的赤道面上，天线的方向图呈两个8字型，一个为竖8字型，一个为横8字型，这一点与实测的天线方向图相符合。φ=0°平面即平行于弹轴的子午面上，水平极化为一前倾的半圆形，这与实际也相符，但是垂直极化的方向图与实测的方向图不够符合。其原因与尺寸测量误差有关。改变介质板的厚度，介电常数，微带贴片的宽度等，就从根本上改变了微带传输线上的波形(传输波长λR与上述参数有密切的关联)。从对方向图影响的角度来看，赤道面上影响不大，但在子午面上影响明显，前倾的半圆形可能会变成横8字型(当然这是在保证天线尺寸不变的情况下)。微带天线