应用于卫星通信的双频圆极化太阳能天线

王 刚,程晋广,胡承刚,,3*,张 恒,3

(1.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；3.中国科学院大学 重庆学院，重庆 400714)

0 引言

伴随着信息通信技术的飞速发展，卫星通信技术也取得了长足的进步。圆极化天线可以接收除与本身旋向相反的任意极化形式的来波，抗雨雾干扰和多径反射能力较强，广泛应用于卫星通信、导航定位和军事等诸多领域[1-2]。近年来，绿色能源发展迅猛，光伏太阳能是其中的重要代表之一[3-5]，太阳能电池因其优异的便携性和低廉的成本，成为了户外供能的首要选择，二者相结合的太阳能天线也有一定的研究和应用。例如，在太阳能电池底电极上直接刻蚀缝隙作为天线[6-8]，Vaccaro等人[9]设计了一款将缝隙天线与太阳能电池集成的天线，其轴比(AR)小于3 dB的带宽为3%；将太阳能电池片作为天线的辐射贴片或寄生贴片[10]，Henze等人[11]设计的一款车载GPS太阳能天线增益仅有2 dBi；还可以将太阳能电池片作为天线的接地板[12-13]等。但这些形式的太阳能天线，加工制作复杂且性能相对较差。而通过对天线与光伏太阳能电池进行独立设计，将天线部分直接放在太阳能电池上，对整体结构进行一体化封装，需要解决天线对电池板的光线遮挡问题和太阳能电池各向异性结构对天线辐射性能的影响[14-17]。因此，急需发展轻量化、高性能、便于集成的太阳能天线。

本文采用透明导电薄膜制作微带天线图形，用透明有机玻璃作为天线介质基板，通过叠层结构，下层辐射贴片可以对上层贴片进行耦合馈电实现双频工作，扩宽阻抗带宽。综合考虑成本、制作工艺和辐射性能等方面，设计制作了在卫星通信所需频段内增益优于9.5 dBi，轴比小于2.65 dB，VSWR小于1.66的双频圆极化太阳能天线，最终质量约为0.3 kg。本文设计的天线采用上下叠层结构，大幅提升了天线和太阳能电池集成的便携性，天线结构的高透光性不会显著制约太阳能电池的性能，天线与太阳能电池板叠层形成一体化封装，能够在野外提供电源和紧急信息传输。

1 天线结构的设计与分析

天线的整体结构示意如图1所示，采用透明导电薄膜制作图形结构，无色透明有机玻璃板作为介质基板，通过叠层实现太阳能电池与天线的直接集成。同时保证了天线具有良好透光性，使太阳能电池能够接受光照正常进行工作。

图1 整体结构示意Fig.1 Overall structure diagram

太阳能电池板在有无天线时的工作情况参数如表1所示。由表1可知，天线会对太阳能电池造成一定遮挡。集成太阳能天线工作电压与太阳能电池板相比无明显变化，电流有所减少，功率有所损耗，仍处于正常工作状态，可用于便携式应急充电。制成天线的透明导电薄膜的透光性和方阻有关，透光性越好方阻越大，方阻引起的损耗也越大，最终可能导致无法制成天线。因此，需要综合考虑透光性和方阻，由此造成天线遮挡而引起的光电转换效率损失无法避免。

表1 天线对太阳能电池板的影响Tab.1 Effect of the antenna on the solar panel

图2(a)给出天线的结构示意图。天线介质基板的长宽分别为L，W，天线为叠层结构共3层：最上层介质基板厚度为h1、中间空气层厚度为h2和最下层介质板厚度为h3。最上层的介质基板的上方覆有由高透光率的透明导电薄膜制作的辐射贴片，通过下层介质基板的辐射贴片对其进行耦合馈电，达到双频工作。引入中间层(空气层)的作用是为了提高微带天线的带宽，提升天线的整体性能。下层介质基板的上方覆有微带线馈电网络和由馈电网络侧馈的方形切角贴片，下层介质基板的下方覆有透明导电薄膜作为天线的地,由于存在地板，可以避免太阳能电池对天线性能的影响。馈电网络与特性阻抗为50 Ω的同轴式SMA射频连接器连接馈电，射频连接器的外导体与下层介质基板下方的导电薄膜连接，形成等效接地。射频连接器与天线之间的电气连接通过银浆实现。

(a) 测量环境

(a) XOZ面

(a) XOZ面

(a) 1.5～3 GHz轴比情况

(a) 1～3 GHz驻波情况

(a) 整体示意图

图2(b)给出天线馈电网络图，其中上层辐射贴片的边长为a，切角大小为acut；下层辐射贴片的尺寸为b，切角大小为bcut，通过切角的方式引入微扰实现单个贴片的圆极化。通过调节单元上下两层的辐射贴片边长来调节谐振频点，通过切角的大小来调节轴比。阵元S1，S2，S3，S4馈电的相位依次相差90°，该相位差通过馈电网络的微带线长度相差1/4波长来实现,组成的2×2阵列能够很好地抑制交叉极化。在距离射频连接器1/4波长处引入调谐枝节，达到并联电容的效果，调节枝节的尺寸实现天线整体与射频连接器的阻抗匹配。

利用有限元法对天线进行仿真设计并优化，得到的结构参数如表2所示。

表2 天线结构参数Tab.2 Structural parameters of the antenna 单位：mm

2 仿真与测试结果分析

利用矢量网络分析仪测试天线的电压驻波比(VSWR)。在微波暗室中测试天线的增益、轴比和方向图，测试与仿真结果对比如图3～图7所示，天线的仿真和实测结果较好地吻合，误差主要来源于加工和测试过程。

从图3可以看出，天线VSWR<2的带宽在1.89～2.26 GHz，完全覆盖1.98～2.2 GHz工作频段，且在工作频段内天线VSWR的最大值为1.66，阻抗匹配良好。

从图4的实测结果可以看出，轴比<3 dB的带宽在1.89～2.22 GHz，结合图3的结果可知，天线在1.98～2.2 GHz的工作频段内有良好的阻抗特性和圆极化特性。

由图5可以看出，天线增益优于9.5 dBi的频率范围在1.97～2.48 GHz，且在卫星通信上下行的中心频点fL，fH处的增益能够达到10 dBi以上。图6和图7为2个典型频点处的左旋圆极化的增益方向图，其3 dB波束宽度优于30°。

图5 天线增益实测仿真结果Fig.5 Measured and simulated results of the antenna gain

3 应用

按照提包式、挂包式的封装方式，将本文设计天线与市面常见太阳能电池板进行一体化封装试验，如图9所示。该太阳能天线可用于野外应急电源和紧急信息传递，为野外工作者和探险提供一定帮助。

图9 添加外封装后的实物Fig.9 Photograph after adding the packaging

实验中，太阳能电池质量0.3 kg，加上天线后质量约为0.6 kg，便携易带。2块太阳能电池板可提供约7 W的功率，满足紧急供电需求。

封装前后的VSWR测量结果如图10所示。由图10可以看出，封装前后VSWR基本不变，且封装采用的材料为防水防划的布料，无任何金属部分，不会对天线辐射性能造成影响，能够保证天线的正常工作。

图10 封装前后的电压驻波比测量结果Fig.10 Measured results of VSWR before and after packaging

4 结束语

本文设计了一种应用于卫星通信的双频圆极化太阳能天线。采用叠层结构直接集成太阳能电池和天线，利用双层微带贴片结构实现了双频工作，扩展了阻抗带宽，满足卫星通信的上、下行频段，同时对贴片进行切角引入微扰实现圆极化，并通过馈电网络进一步提升天线的辐射性能。对其应用场景进行了试验，验证了其可行性。以上结果为此类设备的后续研究应用提供了一定参考。