金宇婷，邢斯瑞，安向東，吳 簡

（長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

在科技飛速發(fā)展的今天，遙感衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，包括國土普查、深空探測、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、減災(zāi)防災(zāi)、鐵路選線、地理測繪與調(diào)查、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、草原及林區(qū)普查等多個領(lǐng)域[1-6]。其中各種電磁設(shè)備正不斷向小型化、高集成度、高性能化發(fā)展，以滿足系統(tǒng)級的優(yōu)良性能及不同的功能需求[7-8]。天線作為衛(wèi)星的收發(fā)前端，有著非常重要的地位和意義。

星載天線目前在軌衛(wèi)星使用的天線形式多種多樣：微帶天線、拋物面天線、波導(dǎo)縫隙天線、偶極子天線、喇叭天線等[9-11]。微帶天線與其他天線相比，具有易集成、低剖面、易共形、易加工、饋電網(wǎng)絡(luò)便于與輻射體一體化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，一致性好、低成本、適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點[12]。

本文依托吉林一號衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一款星載X 波段高增益寬頻帶高指向性微帶陣列天線，可以滿足在星地傳輸時建立穩(wěn)定的無線鏈路，以完成吉林一號的通信載荷工作。本天線單元和陣列的性能都是優(yōu)良的，其工作在X 波段，均采用側(cè)饋的能量輸入方式，采用縫隙耦合饋電設(shè)計提高天線帶寬，采用多層天線設(shè)計將輻射層和饋電網(wǎng)絡(luò)層分離以減小電磁波串?dāng)_和提升分離設(shè)計簡約度，同時達(dá)到小型化的目的，最后增加金屬反射層以提高天線正向增益和前后比。吉林一號衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含多種衛(wèi)星型號，對通信系統(tǒng)無線傳輸需求極大，此天線可為其數(shù)據(jù)傳輸提供無線保障，同時也為X 波段高增益寬頻帶高指向性微帶陣列天線設(shè)計提供了一種新的思路。

1 天線單元設(shè)計與仿真

微帶天線是在介質(zhì)基板上通過光刻或真空鍍膜技術(shù)形成相當(dāng)于導(dǎo)帶變形的天線輻射單元及其饋電結(jié)構(gòu)。它是一種諧振式天線，其諧振特性類似于高Q 值并聯(lián)諧振電路，所以傳統(tǒng)微帶天線的頻帶較窄，通常只有2%左右[13]。因此就誕生了很多拓展微帶天線帶寬的技術(shù)方法，如增加介質(zhì)板的厚度、降低介質(zhì)板的介電常數(shù)、采用有耗介質(zhì)、饋電線路采用寬帶阻抗匹配方式、采用新型介質(zhì)基片材料、增加諧振點等[14]。綜合考慮設(shè)計實現(xiàn)難易度、工程實現(xiàn)難易度、產(chǎn)品性能指標(biāo)等方面，本設(shè)計采用第六種方法通過多層天線設(shè)計，以縫隙耦合饋電增加諧振點，使其頻率各不相同，但又相互交叉，以達(dá)到拓展帶寬的目的。

縫隙耦合饋電的微帶天線可根據(jù)縫隙的不同形狀得到不同的天線性能。如增加縫隙面積可以增大饋電網(wǎng)絡(luò)與輻射貼片的有效耦合面積，增大天線輻射效率；改變縫隙形狀可以控制電流分布來增減諧振點數(shù)，增大天線工作帶寬[15]。本文設(shè)計的天線單元為5 層：第一、三層為介質(zhì)層，第二、四層為介質(zhì)-空氣架高層，第五層為金屬反射層。輻射貼片在第一層介質(zhì)層上表面，第三層上表面覆銅作為天線的地，其中有1 個H 型縫隙，介質(zhì)板下表面為饋電層，電磁能量經(jīng)SMA 接頭輸入給饋電網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過地層的H 型縫隙耦合給微帶貼片，經(jīng)空間輻射出去。微帶天線單元采用正方向貼片原型，其邊長理論值為：

式中：f為設(shè)計天線的工作頻率9.6 GHz；εr為是介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，本文采用F4BM220，介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001，可根據(jù)式（1）計算天線模型的原始尺寸。

天線單元整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中各個尺寸數(shù)值如下：a=9.55 mm，h1=0.762 mm，h2=2.8 mm，h3=0.254 mm，h4=3.1 mm，h5=2 mm。天線縫隙耦合饋電結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中各個尺寸數(shù)值如下：m1=0.95 mm，m2=0.53 mm，m3=4 mm，m4=3.67 mm。端口1 為能量輸入端口。

圖1 天線單元整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 天線單元饋電結(jié)構(gòu)圖

利用仿真軟件進行電磁建模仿真，天線單元回波損耗結(jié)果如圖3 所示。由圖可知，在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-37.4 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內(nèi)回波損耗≤-37 dB，-10 dB 天線帶寬為8.53～10.47 GHz，共1.94 GHz，相對帶寬為20.2%，天線單元匹配性能良好。由此可見，縫隙耦合饋電方式對微帶天線的頻帶展寬有著顯著效果。

圖3 天線單元回波損耗仿真結(jié)果圖

圖4 為天線單元方向圖的仿真結(jié)果。由圖可知，在中心頻率法向方向增益為9 dB，前后比為27.2 dB，半功率波瓣寬度E 面為55°，H 面為62.5°。圖5 為天線單元增益隨頻率變化的仿真結(jié)果。由圖可知，在中心頻點9.6 GHz 處增益為9 dB，在9.4 GHz 到9.8 GHz 工作頻段內(nèi)，增益曲線平滑，均大于8.7 dB，可見天線單元輻射性能良好。

圖4 天線單元方向圖仿真結(jié)果圖

圖5 天線單元增益隨頻率變化仿真結(jié)果圖

2 陣列天線的設(shè)計、仿真與實測

本文基于上述天線單元的設(shè)計思路，設(shè)計了一款64單元和256 單元的X 波段高增益寬頻帶微帶陣列天線。陣列天線采用SMA 側(cè)饋設(shè)計，便于安裝與測試調(diào)試。陣列天線中天線單元間距的選擇非常重要。間距越大，陣列天線的增益越大、各輻射貼片和饋電線之間的耦合越小，但波束寬度會減小，柵瓣會相應(yīng)增大，影響陣列天線的輻射性能；反之，間距越小，陣列天線的增益越小、各輻射貼片和饋電線之間的耦合越大，但波束寬度會增大，柵瓣會相應(yīng)減小[16]。通常陣列天線的單元間距介于0.5λ～0.7λ之間，本文設(shè)計取0.6λ，λ為中心頻率在自由空間輻射時的電磁波波長。陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 陣列天線尺寸結(jié)構(gòu)圖

由于陣元數(shù)為2N個，因此64 單元的天線陣列饋電網(wǎng)絡(luò)采用六級1 分2 功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，通過四分之一波長阻抗變換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)鄰近兩級饋電網(wǎng)絡(luò)的連接。陣列天線整體饋電結(jié)構(gòu)如圖6 所示，為方便說明，將饋電層、地層和輻射層在同一層顯示。其中各個尺寸數(shù)值如下：l1=0.95 mm，l2=4.21 mm，l3=1.44 mm，dx=18.8 mm，dy=18.8 mm。

64 單元陣列天線經(jīng)加工后組裝，在暗室中對其性能進行測試，將結(jié)果與仿真結(jié)果進行比對。圖7 為陣列天線回波損耗的仿真與實測結(jié)果。由圖可知，仿真時在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-18 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內(nèi)回波損耗≤-18 dB，-10 dB 天線帶寬可達(dá)1.16 GHz，相對帶寬為12%。實測時在中心頻點9.6 GHz 處回波損耗為-16.16 dB，工作頻帶9.4～9.8 GHz 內(nèi)回波損耗≤-13.5 dB，-10 dB 天線帶寬可達(dá)0.74 GHz，相對帶寬為7.7%，陣列天線實現(xiàn)了良好匹配。圖8 為陣列天線方向圖的仿真與實測結(jié)果。由圖可知，仿真時在中心頻率法向方向增益為22 dB，前后比為37 dB，半功率波瓣寬度為10°。實測時在中心頻率法向方向增益為20.2 dB，前后比為23 dB，半功率波瓣寬度為10.2°?？梢?，陣列天線實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。圖9 為64 單元陣列天線加工實物照片。

圖7 64 單元陣列天線回波損耗仿真與實測圖

圖8 64 單元陣列天線方向圖仿真與實測圖

圖9 64 單元陣列天線實物圖

64 單元陣列天線測試結(jié)果優(yōu)良，證明設(shè)計合理，現(xiàn)根據(jù)衛(wèi)星總體指標(biāo)，拓展設(shè)計256 單元的大型陣列天線，其饋電方式采用八級1 分2 功分網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，與圖6 所示饋電結(jié)構(gòu)相仿，經(jīng)過電磁仿真軟件仿真設(shè)計優(yōu)化，調(diào)節(jié)多組參數(shù)，使其性能達(dá)到最優(yōu)。仿真結(jié)果如圖10 和圖11 所示，256 單元陣列天線仿真時在工作頻帶9.4～9.8 GHz 內(nèi)回波損耗≤-18 dB，-10 dB 相對帶寬可達(dá)10%以上，可見陣列天線實現(xiàn)了良好匹配。在中心頻率9.6 GHz 處法向增益為27.5 dB，前后比為30.6 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2 °，H 面為2.6 °，天線空間指向性較好。經(jīng)加工后組裝測試如圖12 所示，天線在工作頻帶9.4～9.8 GHz 內(nèi)回波損耗≤-14.5dB，-10 dB 天線帶寬較寬，可滿足10%以上，可見陣列天線整體實現(xiàn)了50 Ω的良好匹配。在中心頻率9.6 GHz 處法向增益為25.9 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2o，H 面為2.53o?？梢?，陣列天線實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本吻合。

圖10 256 單元陣列天線回波損耗仿真與實測圖

圖11 256 單元陣列天線方向圖仿真與實測圖

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一款64 單元和256 單元的星載X 波段高增益寬頻段微帶陣列天線。陣列天線采用側(cè)饋的能量輸入方式，采用縫隙耦合饋電的設(shè)計提高了天線帶寬，采用多層天線設(shè)計將輻射層和饋電網(wǎng)絡(luò)層分離以減小電磁波串?dāng)_和提升分離設(shè)計簡約度，同時達(dá)到小型化的目的，最后增加金屬反射層以提高天線正向增益和前后比。64 單元和256 單元陣列天線均加工后測試。小陣列天線工作頻帶內(nèi)回波損耗≤-13.5 dB，-10 dB 天線帶寬可達(dá)0.74 GHz，相對帶寬為7.7%，法向增益為20.2 dB，前后比為23 dB，半功率波瓣寬度為10.2°。大陣列天線工作頻帶內(nèi)回波損耗≤-14.5 dB，-10 dB 天線帶寬較寬，可滿足10%以上，法向增益為25.9 dB，半功率波瓣寬度E 面為10.2°，H 面為2.53°。天線測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證了設(shè)計的合理性。吉林一號衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含多種衛(wèi)星型號，對通信系統(tǒng)無線傳輸需求極大，此天線可為其數(shù)據(jù)傳輸提供無線保障，同時也對X 波段高增益寬頻帶微帶陣列天線的設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。