王 輅，鄭宏興，張玉賢

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，天津 300222）

近年來(lái)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)得以迅速發(fā)展，天線作為系統(tǒng)終端設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，直接影響設(shè)備接收信號(hào)的質(zhì)量。由于微帶天線具有剖面輪廓低、易于加工和集成等特點(diǎn)，人們對(duì)它進(jìn)行了大量研究[1]，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信和導(dǎo)航等領(lǐng)域。微帶天線實(shí)現(xiàn)多頻工作構(gòu)成方法有單片法[2-4]和多片法[5]。單片法又分為多模法和加載法，它們分別是在單個(gè)貼片上產(chǎn)生不同諧振頻率或加載電抗，從而增加相應(yīng)的工作頻率；多片法則是把幾個(gè)貼片同時(shí)激勵(lì)以產(chǎn)生不同諧振頻率。當(dāng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的工作頻率間隔較大時(shí)，常應(yīng)用多片法設(shè)計(jì)天線。文獻(xiàn)[6]中采用在輻射貼片邊緣開兩個(gè)L形槽，通過改變高次模的電流流向，實(shí)現(xiàn)了雙頻帶天線。文獻(xiàn)[7]中采用在輻射貼片上開T形槽，使天線達(dá)到雙頻的效果。在這2種方法的基礎(chǔ)上，本文采用貼片天線形式，克服了微帶天線頻帶窄的缺點(diǎn)，而饋線采用微帶結(jié)構(gòu)，分別在貼片上引入T形槽和L形槽的方式，產(chǎn)生三頻工作狀態(tài)，進(jìn)而設(shè)計(jì)了一種可以用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端的天線。

1 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)IEEE 521-2002標(biāo)準(zhǔn)，X波段是指頻率在8～12 GHz的無(wú)線電波波段，通常下行頻率為7.25～7.75 GHz，上行頻率為7.9～8.4 GHz。在空間應(yīng)用方面，X頻段具有空間研究、廣播衛(wèi)星、固定通訊業(yè)務(wù)衛(wèi)星、地球探測(cè)衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星等用途。C波段是指頻率在4～8 GHz的無(wú)線電波波段，可應(yīng)用于通信衛(wèi)星下行傳輸信號(hào)的頻段。在衛(wèi)星電視廣播和各類小型衛(wèi)星地面站應(yīng)用中，該頻段被廣泛使用。通常的上行頻率范圍為5.925～6.425 GHz之間，下行頻率則為3.7～4.2 GHz。Ku波段是指頻率在12～18 GHz的無(wú)線電波波段，這是衛(wèi)星之間的通信波段，例如，國(guó)際空間站和航天飛機(jī)通信用的跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星。在衛(wèi)星廣播領(lǐng)域里，Ku波段是常用的波段之一。

本文設(shè)計(jì)了一種能應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的三頻天線，在頻率為5.77 GHz、9.17 GHz和13.21 GHz處發(fā)生諧振，并擁有足夠的帶寬，使天線可以工作在3個(gè)頻率范圍。本文選用介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)板，厚度為1.6 mm，采用微帶線側(cè)饋方法，對(duì)天線進(jìn)行饋電。輻射貼片的形狀為圓角的矩形，圓角的半徑為R，如圖1（a）所示，對(duì)輻射貼片進(jìn)行開矩形槽處理，所有槽的寬度均為Wslot，沿輻射貼片的左上側(cè)和右下側(cè)分別開L形槽，并在輻射貼片中心區(qū)域開T形槽。槽的長(zhǎng)度L1～L6如圖1（a）的標(biāo)注所示，它們的大小可以調(diào)節(jié)天線的輸入阻抗，從而影響天線的回波損耗S11。適當(dāng)選取尺寸，一方面可以減小天線的體積，另一方面使天線增益保持在一定的范圍內(nèi)。最后，采用Wgnd×Lgnd的矩形接地面，通過改變Wgnd，能夠調(diào)整高頻區(qū)域的S11。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖

2 參數(shù)優(yōu)化

2.1 輻射貼片開槽的電流分析

對(duì)天線的輻射貼片開槽，相當(dāng)于引入串聯(lián)電感。貼片天線從饋源到最遠(yuǎn)輻射邊上的直線路徑變?yōu)榻?jīng)過槽的曲線路線，從而增加了電流流動(dòng)的路徑，如圖2所示。當(dāng)增加L形槽的長(zhǎng)度時(shí)，天線輻射貼片的表面電流路徑增加，使諧振點(diǎn)向低頻移動(dòng)。通過改變L槽的長(zhǎng)度，可以調(diào)整諧振點(diǎn)的位置。

圖2 輻射貼片上的電流流向情況

如圖2（a）所示，電流沿微帶線饋入，直接流向于輻射貼片上，電流流動(dòng)的路徑較短，饋入的電流基本圍繞在輻射貼片的邊緣上，在相應(yīng)的中心區(qū)域的電流很弱，這時(shí)天線的輻射受制于邊緣的電流；如圖2（b）所示，在輻射貼片中心僅加入一個(gè)“T”形槽，由于中心區(qū)域的電流較弱，此時(shí)，“T”形槽對(duì)電流分布的影響不大；如圖2（c）所示，對(duì)輻射貼片的邊緣僅加入兩個(gè)“L”形槽，將圍繞在輻射貼片上的電流導(dǎo)入到貼片的內(nèi)側(cè)，增大了中心區(qū)域的電流，增加了電流流動(dòng)的路徑；如圖2（d）所示，對(duì)輻射貼片上加入2個(gè)“L”形槽和1個(gè)“T”形槽，增大了貼片中心的電流，使沿槽方向的電流能夠形成回路，從而提高了天線的增益和輻射效率。

圖3所示為S11隨槽的變化情況，曲線 a、b、c、d分別對(duì)應(yīng)圖 2 中（a）、（b）、（c）、（d）的回波損耗的結(jié)果。

圖3 S11隨槽的變化情況

由圖3可見，曲線a和曲線b的結(jié)果基本一致，說(shuō)明了僅在輻射貼片的中心區(qū)域開槽，并不能改變天線的性能。對(duì)輻射貼片的邊緣開2個(gè)“L”形槽，這時(shí)天線才能呈現(xiàn)三頻特性，仍未滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)所需要的頻段。若在此基礎(chǔ)上再開“T”形槽，再進(jìn)行仔細(xì)地調(diào)整天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可使S11滿足所需，其分析結(jié)果與圖2的過程保持一致。

2.2 輻射貼片開槽尺寸的分析

以下討論3個(gè)開槽結(jié)構(gòu)對(duì)天線性能的影響。在保證其他參數(shù)保持不變的前提下，分別調(diào)整開槽結(jié)構(gòu)上的每一個(gè)參數(shù)。

若減小L1，會(huì)降低8 GHz和13 GHz處的S11，當(dāng)L1小于9 mm時(shí)，在8 GHz處也產(chǎn)生諧振，這并不符合要求，所以L1不宜太小，如圖4所示。若減小L2，3個(gè)諧振頻率都會(huì)增大，這時(shí)會(huì)增加S11，需要適當(dāng)選取L2的長(zhǎng)度，如圖5所示。

圖4 S11隨L1的變化情況

圖5 S11隨L2的變化情況

若增大L3，3個(gè)諧振頻率都會(huì)降低，且降低S11，提高了天線的增益，如圖6所示。若L4減小，在天線的高頻諧振點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的諧振頻率增大，且降低S11，如圖7所示。

調(diào)節(jié)L5、L6不會(huì)直接影響到諧振頻率，但能有效地降低S11，由此彌補(bǔ)因調(diào)節(jié)L1～L4造成S11較大的情形，如圖8、圖9所示。經(jīng)過多次調(diào)整參數(shù)，所設(shè)計(jì)的天線能達(dá)到所需要的諧振頻率以及S11。

2.3 天線的其他參數(shù)分析

圖6 S11隨L3的變化情況

圖7 S11隨L4的變化情況

圖8 S11隨L5的變化情況

圖9 S11隨L6的變化情況

參數(shù)R表示矩形圓角處圓的半徑。若減小R，高頻處的2個(gè)諧振點(diǎn)的S11會(huì)受到影響，當(dāng)R=0 mm時(shí)，即為方角時(shí)，高頻部分的S11會(huì)迅速升高，如圖10所示。

圖10 S11隨R的變化情況

參數(shù)Wgnd表示接地面的寬度，若減小Wgnd，可有效地減小天線的體積，同時(shí)，由圖11可以看出，Wgnd越小，9 GHz和13 GHz處的諧振頻率間隔就越大。

圖11 S11隨Wgnd的變化情況

3 仿真結(jié)果

由圖2至圖11分析，優(yōu)化后得到這種三頻天線的物理參數(shù)，如表1所示。

表1 優(yōu)化后的天線參數(shù)mm

這種天線能有效地工作在4.74～6.66 GHz、8.78～10.02 GHz和12.68～14.58 GHz 3個(gè)頻段，分別在C波段、X波段和Ku波段內(nèi)。通過HFSS15.0.2仿真后，得到天線參數(shù)的S11和VSWR仿真結(jié)果，如圖12所示。這種三頻天線滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的要求。

優(yōu)化后天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖13所示。由圖13可見，當(dāng)頻率較低時(shí)，天線的方向圖呈現(xiàn)很好的全向特性。觀察H面，在頻點(diǎn)為5.77 GHz時(shí)，輻射場(chǎng)保持圓周的形狀，滿足全向輻射的要求；在頻點(diǎn)為9.17 GHz和13.21 GHz時(shí)，輻射場(chǎng)曲線呈現(xiàn)凹凸不規(guī)則的形狀，全向性有所降低。觀察E面，在頻點(diǎn)為5.77 GHz時(shí)滿足“8”字形的指向性，具有較低的交叉極化電平；當(dāng)頻點(diǎn)為9.17 GHz和13.21 GHz時(shí)，因交叉極化電平升高，方向圖產(chǎn)生一定程度的變形。

圖12 優(yōu)化后天線的近場(chǎng)參數(shù)

圖13 優(yōu)化后天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖

根據(jù)上述優(yōu)化過程，制作出相應(yīng)的天線實(shí)物，如圖14所示。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測(cè)量，其實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真過程的結(jié)果一致。

圖14 天線實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的三頻天線，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，保持天線的增益。通過對(duì)輻射貼片進(jìn)行開槽處理，分析該輻射貼片上的電流分布，說(shuō)明了開“L”形槽和“T”形槽能實(shí)現(xiàn)三頻特性，適當(dāng)調(diào)整天線的參數(shù)，使天線滿足衛(wèi)星通信系統(tǒng)的要求。

[1]王浩，史小衛(wèi)，劉淑芳，等.一種寬頻高增益的Ku波段微帶天線設(shè)計(jì)[J].微波學(xué)報(bào),2012，28（5）：44-47.

[2]盧萬(wàn)錚.天線理論與設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004：247-249.

[3]HSIEH K B，CHEN M H，WONG K L.Single-feed dualband circularly polarized microstrip antenna[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2000，49：377-382.

[4]BAO X L，AMMANN M J.Dual-frequency circularly-polarized patch antenna with compact size and small frequency ratio[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2007，55（7）：2104-2107.

[5]JAN J Y，WONG K L.A dual-band circularly polarized stacked patch elliptic microstrip antenna[J].Microwave Opt Technol Lett，2000，24：354-357.

[6]顧新桃，史小衛(wèi)，李欣.一種新型雙頻圓極化微帶天線[C]//2011年全國(guó)毫米波會(huì)議論文集：上冊(cè)，北京：電子工業(yè)出版社，2011：477-479.

[7]劉永生，鄭宏興，王曉輝.緊縮結(jié)構(gòu)雙頻天線的設(shè)計(jì)[J].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（4）：9-11.