一種新型海事衛星天線分析與設計*

郭 強

(中國海洋石油總公司,北京100010)

一種新型海事衛星天線分析與設計*

郭 強

(中國海洋石油總公司,北京100010)

針對海上石油鉆井平臺地理環境對通信天線的特殊要求,提出了一種寬頻帶圓極化平面天線,該天線適用于新一代Ka頻段海事衛星終端。天線采用基于微擾法的矩形貼片作為輻射單元,對微擾槽位置等參數利用矩量法進行了優化,并采用耦合饋電方式來提高天線的圓極化帶寬。仿真結果表明,該天線具有良好的阻抗及軸比帶寬,分析了天線的輻射特性,并對比了不同的仿真結果。該天線具有結構緊湊,饋電簡單、圓極化特性好、易于制作等優點。

海事衛星 圓極化 軸比帶寬

0 引 言

國家“十二五”能源規劃明確要求加強海上油田的勘探、開發和利用,海上石油鉆井平臺是海上油田的工作區域,海上鉆井平臺通信系統是平臺上工作人員作業及日常生活的重要組成部分。由于平臺一般位于遠離大陸架的廣袤海面上,地理位置孤立,通信環境惡劣,平臺與陸地或平臺之間一般都采用衛星通信方式連接,為保證石油生產作業及人員的安全,對平臺通信系統穩定性要求較高。海事衛星通信系統具有全球(除南北極區外)、全時、全天候、穩定、可靠、高質量、大容量和自動通信等顯著優點,非常適用于保障海上鉆井的平臺正常運行。移動衛星通信運營商海事衛星(Inmarsat)于2010年8月11日宣布由波音公司負責升級其最新Ka波段的Inmarsat-5衛星系統,以提供獨一無二的全球高速移動寬帶服務。其終端將工作于毫米波頻段(27.5～31 GHz),傳統L波段終端采用的柱狀螺旋陣不利于與系統集成應用,不適用于新的Ka頻段衛星。通信系統集成度的提高和體積的減小,對天線集成性要求越來越高,在多個系統集成于一個平臺共用天線時,如何實現剖面低且易集成的天線成為新的難題。一般情況下可采用印制天線來實現衛星終端天線。印制天線易于集成、一致性好且其尺寸與(εr為相對介電常數)成反比,選用高εr的介質基板可減小天線尺寸,但采用高εr的基板不利于圓極化軸比帶寬的改善,也會降低天線的輻射效率[1-2]。由微帶天線空腔模型易知,平面印制圓極化天線軸比帶寬不理想是其固有的缺點,將耦合饋電結構引入微帶天線領域以提高其工作帶寬成為首選方法[3],文獻[3]中研究了一種耦合饋電法來增強微帶天線帶寬的技術,其效果較為顯著。

本文提出一種基于耦合饋電結構的小體積、緊湊型海事衛星終端平面天線,該天線具有軸比帶寬好、易于與其它子系統天線集成、加工方便、一致性好等優點。采用基于微擾理論優化的矩形貼片作為輻射器,用矩量法對單元及饋電網絡各部分尺寸進行優化,使天線獲得良好圓極化輻射特性。最后仿真對比結果表明該天線具有良好的軸比帶寬特性, 3 dB波束寬度(Phi=0o)為30度,10 dB阻抗帶寬為13%(28～32 GHz),3 dB軸比帶寬達10%(28.5～31.5 GHz),天線的增益在工作頻段大于12 dBi。

1 設計方法與原理

1.1 輻射單元

為獲得優良的圓極化輻射特性,采用如圖1(b)所示的開槽切角矩形貼片(Rectified Rectangular Patch with Slot)輻射器作為單元,矩形單元以其設計理論成熟及優化方便等特性,在微帶天線中被廣泛采用。為改善其圓極化帶寬,在矩形陣子饋電位置處附加諧振槽,并將如圖1(a)所示的直接饋電方式改為耦合饋電方式。加載槽及耦合饋電枝節的尺寸及位置對表面電流的分布有重要影響,其最終參數要通過優化確定。由于天線阻抗及方向圖特性主要由其表面電流分布決定,故首先對用矩量法對貼片單元進行優化。

天線表面電流分布為[4-6]:

天線表面滿足邊界條件:

式中,L表示線性算子(在這表示積分算子),v為已知的激勵源,f是由基函數組成的未知函數。

采用一組權函數對方程兩邊取內積得:

綜合式(8)、式(9)和式(10)可得:

用矩陣形式表示為:

式中,Zij=〈ωi,Lfj〉,Ij=αj,[I]=[Z]-1[V](13)

采用分域基函數和點選配的方法:ωi=δ(r-ri)為權函數,{ri}為每段的中點,選用適當的基函數求得電流分布之后就可以得到天線的輸入阻抗、方向圖等。

圖1 單元結構Fig.1 Structure of the element

經過優化后得到的天線輻射單元各部分尺寸如表1所示。

表1 輻射單元各部分尺寸Table 1 Dimensions of the radiation element

1.2 饋電網絡

為驗證天線的寬帶圓極化特性,采用如圖2所示的四功分饋電網絡建立四單元圓極化陣模型,功分饋電網絡與天線輻射單元位于同一層。依據圓極化陣列天線的工作原理,四個輻射單元空間位置及饋電相位依次相差90度,為實現饋電網絡的寬帶化,功分器分路枝節位置采用四分之一波長漸變結構。為實現單元的90度饋電相位差,在第一級功分后引入90度相位延遲線,各單元饋電相位分布如圖中所示。將功分網絡與輻射單元置于印制板的不同層,并通過寬帶層間過渡結構實現分層饋電的結構可進一步縮小天線體積,改善整體性能[7-10]。

圖2 四單元圓極化天線頂視圖Fig.1 Top view of the four-element circular array

2 仿真及驗證

為驗證上述圓極化陣列天線的性能,以表1中經矩量法優化后的各部分尺寸作為初值,分別在三維電磁仿真軟件ANSOFT HFSS及CST Microwave Studio里建立上述天線模型并進行仿真,模型采用Rogers5880為基板材料,表面金屬采用PEC代替,仿真結果如圖3～圖6所示。圖3所示為天線回波損耗仿真對比結果,結果顯示天線10 dB阻抗帶寬為13%;圖4所示為方向圖仿真結果,天線3 dB波束寬度(Phi=0°)約為30度;圖4為軸比方向圖仿真結果,3 dB軸比波束寬度約為30度(Phi=0°);圖5所示為天線軸比-頻率仿真結果,由圖易知與采用傳統圓極化輻射單元的類似結構天線相比,本文圓極化天線軸比帶寬增加了3.3%。由于兩類軟件的基礎算法及網格剖分差異,采用兩種軟件仿真得到的結果略有差異。

圖3 回波損耗對比Fig.3 Returns loss results

圖4 方向圖對比(f=30 GHz,Phi=0°)Fig.4 Radiation pattern results

圖5 軸比方向圖對比(f=30 GHz,Phi=0°)Fig.5 Axial ratio pattern results forf=30 GHz and Phi=0°

圖6 軸比-頻率對比(Phi=0°,Theta=0°)Fig.6 AR-frequency results for Phi=0°and Theta=0°

3 結 語

提出并分析了一種寬帶圓極化陣列天線,該天線采用附加槽的矩形貼片作為輻射單元,為使天線獲得寬帶圓極化輻射性能,采用耦合饋電的方式對各單元進行饋電。為驗證天線的寬帶特性,采用兩種不同三維電磁仿真軟件,對以寬帶平面四功分器為饋電網絡的平面四元陣進行了仿真驗證。結果表明:天線具有13%阻抗帶寬,圓極化帶寬可達10%,增益12 dBi。天線具有加工簡單、體積小、重量輕、剖面低等優點,適于與其它類型子系統天線集成安裝。

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Analysis and Design of A Novel Satellite Antenna

GUO Qiang
(China National Offshore Oil Corp,Beijing 100010,China)

For at the special geographical position of offshore oil platform,a novel wideband circularly polarized planar antenna is proposed in this paper,and this antenna could be used in the new-generation Ka -Band maritime satellite terminal device.A novel kind of rectangular patch designed with perturbation method is used as a radiation element,thus to optimize the parameters of location,length and width of the slot with MOM(Method of Moment),and then the coupled feeding structure is used to expand AR bandwidth of the antenna.The simulation result indicates that this antenna has good performance of impedance and AR bandwidth.Radiation characteristics of the antenna are analyzed and simulation data from different simulation tools are compared in this paper.The antenna is characterized by compact structure,good circular polarization performance and easy fabrication.

maritime satellite;circularly polarized;AR bandwidth

TN820.12

A

1002-0802(2014)09-1090-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.023

2014-05-12;

2014-07-23 Received date：2014-05-12;Revised date：2014-07-23

郭強(1971—),男,碩士,高級工程師,主要研究方向為信息系統基礎架構規劃,信息系統安全,海上無線通信系統。

GUO Qiang(1971-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in the planning of information system,security problem of information system and maritime wireless communication system.