适合临近空间通信的Ka/V双频口径耦合天线设计

陈长兴，蒋 金，凌云飞，华伟民，陈 强，任晓岳

(空军工程大学理学院，西安710051)

0 引言

文献［1－2］中指出ITU分配给我国临近空间有三个可采用的频段:1885 MHz～2170 MHz的S频段，27．5 GHz～31．3 GHz的Ka频段，47．2 GHz～48．2 GHz的V频段。而飞行器在临近空间超高声速飞行过程中产生等离子鞘套包覆飞行器表面，引起信号的衰减和相位失真等问题，会对通信造成干扰［3－6］。文献［7］经过分析总结出Ka频段是临近空间飞行器超视距测控的首选频段，同时指出提高飞行器的通信频率，有助于解决飞行器在高超声速飞行产生的等离子鞘套通信黑障的问题。而微带天线剖面薄，体积小，重量轻，可制成与导弹，卫星等载体表面共形的结构，且口径耦合微带天线较其他微带天线便于制作，易实现阻抗匹配，且易获取较宽的频带特性而受到广泛关注及应用［8－10］。而传统的单层微带贴片天线带宽相对较窄，在设计中常采用口径耦合微带天线来获取宽频带特性［11］。

文献［12］设计了一个小的环状贴片组成的一个整体圆形辐射波导，通过缝隙耦合馈电的方式实现了频点在20G/30G的双频工作。文献［13］通过在天线阵单元采用凹槽加载中心馈电结构，并调节馈电线的长度，获得了两个零点，从而使微带天线实现双频工作。然后组成4×4天线阵，得到双频天线阵工作在32．5 GHz和35．7 GHz两个频点，天线阵的增益16．25 dB，辐射效率达到82%。文献［14］利用CMOS和IPD的现代切削组装技术实现了在微波频段V/E双频工作天线设计，且实现了V频段－10 dB带宽达到6．1%，V频段－10 dB带宽达到5．8%。文献［15］设计了一种新的频率可重构天线，该天线由准Sierpinski分形偶极子和一个双频高阻抗表面组成，通过改变两个开关的状态使天线工作于X、Ku和Ka三个频段。文献［16］在频选表面L波段贴片阵列天线上设计了一个Ka波段反射阵列天线，该天线工作于L和Ka波段且通过一个同轴双环频选面单元背馈于同轴双分离环单元。此反射阵使天线在L波段辐射性能产生一定影响，最大增益仅达到11．8 dBi。但在Ka波段表现良好，在频点20 GHz处增益达到36．4 dBi，带宽达到57%;频点29．8 GHz处增益达到38．5 dBi，带宽达到48%。

本文设计了一种在Ka和V双频段工作的口径耦合微带天线，在中间地板的矩形缝隙中间开一个圆孔，通过调节圆孔的大小来控制双频的工作点，并通过组成1×4的天线阵列，实现了在Ka/V双频段工作。

1 天线的单元结构

本文设计的双频口径耦合天线模型如图1所示，辐射贴片位于单元上层介质板的顶部，馈线位于单元下层介质板的底部。为得到最大耦合和对称的方向图，把耦合口径放在贴片中心正下方，且要求口径耦合微带天线的口径尺寸远远小于贴片的尺寸。根据耦合理论可知，口径耦合微带天线的谐振频率主要由微带辐射单元决定，但也受到口径大小的影响。随着口径参数l0、w0、a的增大，天线输入阻抗实部减小，而天线谐振频率增大，所以可以通过调整l0、w0和a的大小来得到理想的输入阻抗。本文主要根据微带耦合理论计算出l0、w0的大小，通过探究半径a对Ka/V双频的影响，改变a的大小来实现谐振频点在30G/47．5G的Ka/V频段的双频工作并实现宽频带特性。

如图1所示，图1(a)是天线的三维模型图，由两层介质板和一层地面组成。当两层选取同样时，往往不能很好地扩展带宽。上层介质板采用介质常数 εr1=2．2，厚度h1=0．508 mm的介质基片;地面中开一个长为l0，宽为w0的缝隙，再在缝隙中间开一个半径为a的圆孔;下层介质板采用介质常数εr2=10．2，厚度h2=0．835 mm的介质基片。图1(b)是天线模型俯视图，由图可看出馈线、缝隙以及辐射贴片均位于模型的几何中心位置。

图1 天线单元模型示意图Fig．1 The structure of antenna unit

经过经验公式和分析设计，得到相应的参数如表1所示。

表1 单元天线设计参数(mm)Table 1 The design parameters of antenna unit(mm)

2 天线单元的结果

对天线进行运算，得到回波损耗S11如图2所示。

3 天线单元参数分析与优化

图2 天线单元的S11曲线图Fig．2 The S11 result of antenna unit

由耦合理论分析可知，馈线通过理想地面上的口径将能量耦合给顶层介质贴片单元，口径尺寸大小决定耦合到贴片单元能量的比例。减小口径参数a的大小，耦合比例减少，谐振的输入阻抗减小。当然如果口径太小，能量没有耦合到贴片单元，谐振阻抗也很小。所以调整口径参数a可以得到输入阻抗理想的谐振频率。

由上面的理论分析，选取a=0．38 mm、0．37 mm、0．35 mm、0．34 mm四个点加上之前的a=0．36 mm五个点进行分析。得到不同a的值对应的S11曲线如图3所示。

图3 不同a的值对应的S11曲线Fig．3 The different values of a corresponding to different values of S11

从参数分析结果中可以看出，小于－10 dB的Ka频段带宽基本在27 GHz～32 GHz之间，小于－10 dB的V频段带宽在47 GHz～49 GHz之间，基本上包含了在临近空间3区的业务频段。谐振频率分布不同位置，但总体上随着a减小，谐振频点向左移动，设计要求的30G/47．5G位于a=0．36 mm和a=0．35 mm中间，对a这个区间值优化，得到S11结果如图4所示。

图4 S11优化分析结果Fig．4 The result of S11 optimization analysis

由图4可知，设计的双频口径耦合微带天线有30 GHz和47．5 GHz两个谐振频点。经计算Ka频段小于 －10 dB带宽为27．5 GHz～30．9 GHz，带宽达到了11．33%，V频段小于 －10 dB带宽为47．1 GHz～48．3 GHz，带宽达到了2．52%，满足其在临近空间3区业务的通信频段需求。其中谐振频点在30 GHz时的E和H面的增益辐射方向图如图5(a)所示，谐振频点在47．5 GHz时的E和H面的增益辐射方向图如图5(b)所示。

图5 单元天线谐振频点辐射方向图Fig．5 The E and H plane radiation pattern of antenna unit

由图5分析知，在30 GHz频点处，天线的方向性明显，主瓣比较突出，E面和H面均在θ=0°时达到最大增益;在47．5 GHz谐振频点处的E面具有辐射全向性，H面辐射全向较好，但在145°＜θ＜155°处出现零点，可在后期设计中组成阵列天线，通过多个天线的辐射场同相叠加获取补偿。

4 天线阵列设计

由于口径耦合微带天线可以获得比单层微带天线更宽的带宽，并且重量轻，易于有源器件集成，组成阵列可以得到更好的性能。

图6 1×4阵列天线结构示意图Fig．6 The structure of 1×4 array antenna

为了保持每个天线单元的激励电流幅度和相位始终相同，将上述单元组成1×4的天线阵列，馈电网络采用如图6所示的微带线馈电网络结果，四个口径耦合天线通过功分器相连，功分器每个枝节的阻抗均为50Ω。经计算得到的S11结果如图7所示。

图7 1×4天线阵列S11曲线图Fig．7 The result of S11 of 1×4 array antenna

由图7可看出，1×4双频口径耦合阵列天线实现了在Ka和V两个频段通信。其中在Ka频段小于－10 dB带宽为27．3 GHz～30．6 GHz，V频段小于－10 dB带宽为46．8 GHz～48 GHz。由于单元天线之间的间距和功分器的问题，导致回波损耗参数S11比单元天线的S11大很多，下一步设计重点放在调整单元天线之间的间距和功率分配器的设计上。其谐振频点在30 GHz时的E和H面的增益辐射方向图，如图8(a)所示;谐振频点在47．5 GHz时的E和H面的增益辐射方向图，如图8(b)所示。

图8 1×4的天线阵列谐振频点辐射方向图Fig．8 The E and H plane radiation pattern of 1×4 array

由图8可知，1×4双频口径耦合阵列天线在谐振频率30 GHz处方向性明显;H面主瓣突出，由于馈线在天线底部且向下辐射，E面的旁瓣较多，但都在θ=0°处取得最大增益11．77 dB。在谐振频率47．5 GHz处的辐射方向较明显，由于馈线在天线底部，一部分辐射能量损失并向下辐射，使得H面的主瓣虽然突出，但旁瓣也较多，E面整体辐射方向较明显，但向下的辐射能量较多。E面和H面也均在θ=0°时达到最大增益11．92 dB。各天线单元之间存在的互耦效应影响了天线的性能。

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5 结论与展望

本文设计的这种在Ka和V双频段工作的口径耦合微带天线，实现了双频和宽频特性，满足在临近空间3区业务通信频段的Ka和V两个频段的通信需求，并且组成的1×4阵列天线在两个谐振频率30 GHz和47．5 GHz处也获得较高增益。从耦合理论分析，由于口径参数a的大小可控制耦合的能量，那么可以通过在天线装置内添加一个控制器装置改变a，来实现该天线在所需频段进行通信。此外该天线结构简单、易于有源器件集成、可与载体共形，为以后临近空间飞行器天线设计提供参考。

［1］ 石磊，郭宝龙，刘彦明，等．临近空间飞行器综合信道模型研究［J］．宇航学报，2011，32(7):1557－1563．［Shi Lei，Guo Bao-long，Liu Yan-ming，et al．Research on integrated channel model for near-space hypersonic vehicle［J］．Journal of Astronautics，2011，32(7):1557－1563．］

［2］ 柴霖．临近空间飞行器测控与信息传输系统频段选择［J］．航空学报，2008，29(4):1007－1012．［Chai Lin．Selection of work frequency for near space vehicle TT＆C and information transmission system［J］．Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica，2008，29(4):1007－1012．］

［3］ 高平，李小平，杨敏，等．时变等离子鞘套相位抖动对GPS导航的影响［J］．宇航学报，2013，34(10):1330－1335．［Gao Ping，Li Xiao-ping，Yang Min，et al．Effect on time-varying plasma sheath phase fluctuation on GPS navigation［J］．Journal of Astronautics，2013，34(10):1330－1335．］

［4］ 杨敏，李小平，谢楷，等．电磁信号在时变等离子体中传播的调制效应［J］．宇航学报，2013，34(6):842－847．［Yang Min，Li Xiao-ping，Xie Kai，et al．The modulation effect of EM signals caused by the time-varying plasma［J］．Journal of Astronautics，2013，34(6):842－847．］

［5］ 于哲峰，刘佳琪，刘连元，等．临近空间高超声速飞行器RCS特性研究［J］．宇航学报，2014，35(6):713－719．［Yu Zhefeng，Liu Jia-qi，Liu Lian-yuan，et al．Research on the RCS characteristics of hypersonic near space vehicle［J］．Journal of Astronautics，2014，35(6):713－719．］

［6］ 蒋金，陈长兴，任晓岳，等．临近空间等离子体鞘套对太赫兹传播特性分析［J］．空军工程大学学报(自然科学版)，2015，16(5):80－84．［Jiang Jin，Chen Chang-xing，Ren Xiaoyue，et al．Analysis of terahertz wave propagation in near space plasma sheath［J］．Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition)，2015，16(5):80－84．］

［7］ 任雨苗．临近空间测控通信系统调制技术研究及仿真验证［D］．西安:西安电子科技大学，2011．［Ren Yu-miao．Research of modulation technology on near space TT＆C communication system and simulation［D］．Xi’an:Xidian University，2011．］

［8］Abdullah N．Microstrip sierpinski carpet antenna design［D］．Malaysia:Universiti Teknologi Malaysia，2005．

［9］ 杨颖怡，赵旭，王伟光，等．L波段宽带缝隙耦合天线设计［J］．微波学报，2012，8:84－86．［Yang Ying-yi，Zhao Xu，Wang Wei-guang，et al．Design of wideband aperture-coupled antenna at L band［J］．Chinese Journal of Microwave，2012，8:84－86．］

［10］David M P．A microstrip antenna aperture coup1ed to a microstrip line［J］．E1ectron Letters，1985，21(1):49－50．

［11］ 钱祖平，刘亭亭，赵菲．缝隙耦合馈电宽带圆极化天线设计［J］．电波科学学报，2010，25(4):739－744．［Qian Zu-ping，Liu Ting-ting，Zhao Fei．Design of wide-band aperture-coupled circularly polarized microstrip antenna［J］．Chinese Journal of Radio Science，2010，25(4):739－744．］

［12］Emilio A，Luigi B，Giandomenico A．A Ka-band dual-frequency radiator for array applications［J］．IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2009，8:894－897．

［13］ 傅佳辉，吴群，张放，等．毫米波微带双频平面天线阵研究［J］．系统工程与电子技术，2011，33(4):746－749．［Fu Jiahui，Wu Qun，Zhang Fang，et al．Research on millimeter-wave microstrip dual-band plane antenna array［J］．System Engineering and Electronics，2011，33(4):746－749．］

［14］Ta-Yeh L，Tsenchieh C，Da-Chiang C．Design of dual-band millimeter-wave antenna-in-package using flip-chip assembly［J］．IEEE Transactions on Components Packaging and Manufacturing Technology，2014，4(3):385－391．

［15］Long L，Zhao W，Ke L，et al．Frequency-reconfigurable quasisierpinski antenna integrating with dual-band high-impedance surface［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62(9):4459－4462．

［16］Thomas S，Ulrich G，Oleksiy S K，et al．An FSS-backed 20/30GHz circularly polarized reflectarray for a shared aperture L-and Ka-band satellite communication antenna［J］．IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2014，62(2):661－664．