一种应用于卫星通信的小型双频天线设计

刘 敏,卞立安,李延秀,刘 雨,黄元芯,王垚琨,黄楷程

(长沙理工大学 物理与电子科学学院,长沙 410114)

0 引言

在当前的通信时代,卫星通信天线作为无线通信系统的重要组成部分,不断朝着小型化、低剖面和宽带化的方向发展。因此,人们对小型化和通用型的收发天线有了更多的需求[1]。

双频带单极子天线因其结构简单、频带宽、体积小、造价低等优点而被广泛应用于卫星通信、移动通信、无人机和雷达等领域[2]。该天线的优点在于可以减少所需天线的数量和体积,也能够克服不同频段之间的干扰。其中,双频带单极子天线能够有效提高频带的范围和利用率,为天线系统的小型化和集成化提供新的解决方案。近年来,该研究方向受到无线通信领域研究人员的广泛关注。为了实现天线的双频段工作,寄生带加载[3]、超材料加载[4-7]、开槽并二极管加载[8-9]等技术快速发展。例如:文献[3]提出了一种采用加载寄生带的双频印刷天线设计,覆盖2.4GHz和5.2GHz附近的频段,极大缩小了天线面积,降低了制造天线的成本但这种方法增加了天线设计的复杂性。在文献[4-7]中,超材料加载虽然实现了多频段工作,但其带宽较窄且难以应用。在文献[8-9]中,开槽加载也可实现双频段工作,但这种传统的开槽方法存在两个频段相互影响的缺点。除此之外,还有其它一些采用单极子实现双频工作的天线,但由于双频段之间的相互影响加大了天线设计的难度且降低了天线的应用性。

上述天线尽管在尺寸或者带宽上能够达到不错的效果,但是并不具备同时满足尺寸小、带宽宽以及使用方便的特点。本文在传统圆形单极子天线的基础上,提出一款应用于卫星通信的小型化双频天线。通过在辐射贴片上切矩形、刻蚀两个对称的C型槽和两个圆环槽,获得了双频效果并实现天线的小型化,双频谐振点分别为5.8GHz和13.2GHz。

1 天线结构模型

天线的结构模型如图1所示,图1(a)为天线正面,图1(b)为天线背面,图1(c)为天线侧面。天线介质基板采用厚度为1.6 mm的Rogers RT/durid4350(介电系数εr=3.66、损耗正切tanδ=0.004)[10]。天线馈电采用50Ω阻抗微带线。整个天线尺寸为16(0.309λe)mm×18.5(0.358λe)mm×1.6(0.031λe)mm,其中,λe为自由空间中5.82GHz下对应波长,计算方法由式(1)所列:

图1 天线模型结构图Fig.1 Antenna model structure diagram

(1)

式(1)中,c为光速,f为最低中心频率,εe是有效介电常数,εe可以由式(2)确定[11]:

(2)

式(2)中,εr为基板的介电系数,h为基板厚度,W是辐射贴片的宽,如式(3)所列:

(3)

C形槽大小的如式(4)所列[12]

(4)

式(4)中,Ls为C形槽内周长。当谐振频率等于中心频率时,得到C型槽内周长尺寸。优化后,结构参数值如表1所列。其中,L是辐射贴片的长;Wg是天线削顶后所控矩形槽的宽;Hg是天线辐射贴片上矩形槽的长度,r1是内圆半径;r2是内圆环槽宽度;r3是外圆环内径,r4是外圆环外径;Lf是馈电端口处矩形的长;Wf是馈电端口处矩形的宽;Wx是天线背面地板层的上短边沿宽;RR是C环槽半径;d1是天线背面地板层环的内径。

表1 天线结构参数值Tab.1 Antenna structure parameters

为了更好地理解所设计天线的工作原理,采用电阻、电感、电容(电阻R、电感L、电容C,RLC)集总元件对天线结构进行等效,等效模型如图2所示。其中,辐射贴片等效于由L2、C2串联再和L1并联构成的LC并联谐振电路;槽孔等效于由C1、L3、50Ω电阻三者并联组成的RLC并联谐振电路。通过理论计算获得了模型的电感、电容值,然后利用两种不同的仿真微调模型,最终得出所建模型中导纳与天线谐振频点处的实际导纳相等的结论[13-14]。电路参数结果优化如表2所列。图3给出了天线的一种电路仿真和两种不同电磁仿真的结果。电磁仿真1和电磁仿真2分别由CST软件和HFSS软件完成。可见,二者大体上一致。因此,通过调节天线尺寸能够控制等效电路的谐振特性,并依据谐振耦合原理来扩展带宽。

表2 等效电路模型参数值Tab.2 Equivalent circuit model parameters

图2 天线等效电路图Fig.2 Antenna equivalent circuit diagram

图3 天线电路仿真和电磁仿真结果对比Fig.3 Comparison of antenna circuit simulation and electromagnetic simulation results

2 仿真结果与分析

如图4所示,所设计天线经历了以下演变过程:首先,如图4(a)所示,在传统的圆形单极子天线顶部削顶并挖去一个矩形结构;其次,如图4(b)所示,在地板上嵌入一对对称的C型缝隙;再次,如图4(c)所示,在辐射贴片上刻蚀两个嵌套的圆环;最后,如图4(d)所示,天线演变为前后都有槽的最终结构。

图4 天线结构演变过程Fig.4 Evolution of antenna structure

图5展示了四种结构下天线回波损耗的对比。可以看出,天线的主要谐振频率集中在5.8GHz和13.2GHz处附近;平均回波损耗分别约为-20dB和-40dB,表明天线在卫星通信下的C波段和Ku波段有良好的性能;在X波段下,只有C槽天线和前后都开槽天线最终产生了中心频率为10.5GHz的陷波带,实现了双频效果。对称的C型缝隙能够产生X波段下的陷波,减少信号干扰,提高频谱利用率。同时,在C型缝隙和圆环缝隙的共同影响下,天线获得了良好的性能。将辐射贴片上的圆环缝隙设计为嵌套结构,同样减小了辐射贴片的面积。在5.8GHz中心频点下,阻抗带宽为4.49GHz,相对阻抗带宽为77%,回波损耗从-14.79dB降低到-24.88dB;在13.2GHz中心频点下,阻抗带宽为1.74GHz,相对阻抗带宽为13.2%,回波损耗从-24.84dB降低到-54.98dB,提高了天线的性能。

图5 四种模式天线回波损耗对比图Fig.5 Comparison of four modes of antenna return loss

由于开槽产生的耦合电流会改变天线表面电流路径[15],本文探究了开槽对天线性能的影响。图6为天线表面电流分布图。从图6中可以看出,开槽引起天线槽周围电流密度增加,产生了耦合电流,并改变了电流的分布,开辟了新的电流路径,进而产生了新的谐振点。在传统的圆形单极子天线的基础上,通过引入圆形环槽和C形槽,产生了环绕槽侧边的较长电流路径,相当于在原高频谐振点和低频谐振点之间引入了一个中频谐振点。槽的尺寸变化会扰动电流路径,导致两个明显的谐振点出现。此外,槽形的改变对低频谐振点影响不大,但会使高频谐振点向更高频率移动。这是因为增加圆形环槽的宽度只影响槽内侧电流路径,而槽外侧电流路径不受影响,因此对应的谐振频率会增加。通过在天线和地板分别引入圆形环槽和双C型槽,可以进一步增强槽边缘处的电流幅度,从而增强了电磁场能量的持续辐射。同时,馈线周围的电流幅度也较高,确保了电流的良好传输。这样的设计改进进一步提高了电磁场的辐射效果。由于槽的存在及其之间的耦合效应,辐射贴片上的电流路径与原始贴片不同,从而形成了新的电流路径,产生了13.2GHz的谐振点。在该谐振点处,天线电流明显集中于槽边缘,并在削顶矩形凹口边缘振荡,地板上的双C型槽辐射效应尤为显著。然而,由于缝隙耦合的存在,可能会导致天线后向辐射过大,对天线性能造成一定影响,但也在一定程度上扩展了天线的带宽。

图6 天线表面电流分布图Fig.6 Antenna surface current distribution diagram

天线参数的变化将直接影响天线的性能,特别是C环形槽、圆环形槽和矩形槽的长度。下面将阐述不同类型参数对天线性能的影响。图7展示了对内圆环槽宽度r2对天线S11性能的影响。从图7中可见,天线的整体带宽变化不大;谐振频点略有偏移;谐振深度变化显著。这说明r2的改变直接影响天线的阻抗匹配。在图8中,C环槽半径RR主要影响着高频谐振点。随着RR的增加,高频谐振位置和深度大幅波动。因此,调整C环槽半径尺寸可以在不影响低频谐振的情况下改变天线的高频谐振特性。图9描述了天线辐射贴片上矩形槽的长度Hg对天线S11参数性能的影响。可以看出,矩形槽的长度也主要影响着高频谐振点。总之,综合调节天线内圆环槽宽度r2、C环槽半径RR以及矩形槽长度Hg能够有效控制双频谐振深度和两频点间距。

图7 不同r2对应的S11值Fig.7 S11 values corresponding to different r2

图8 不同RR对应的S11值Fig.8 S11 values corresponding to different RR

图9 不同Hg对应的S11值Fig.9 S11 values corresponding to different Hg

在图10中展示了该天线在5.8GHz和13.2GHz处的E面和H面方向图。从图10中可以看出,在13.2GHz处,天线在E面呈现出圆形全向辐射特性;在5.8GHz处辐射呈现出均匀对称的“哑铃型”。随着频率的升高,天线在H面方向图逐渐变差,但总体上仍保持双频宽带天线的辐射特性。

图10 天线方向图对比Fig.10 Comparison of antenna direction

在图11中显示了天线的增益和轴比。从图中可以观察到,在天线的工作频带内增益的变化范围为2.8dBi～5.9dBi。在13.59GHz处,天线获得最高增益5.9dBi。同时,图中显示的天线轴比在所需工作频段内小于3dB,符合圆极化天线的特点[14]。

图11 天线增益和轴比图Fig.11 Antenna gain and axis ratio diagram

最后,表3对本文的双频天线与其他已发表的双频天线性能进行了对比。文献[3]和文献[6]中的天线虽然增益较高,但带宽较窄。文献[4]和文献[7]中的天线尺寸虽小,但增益较低且带宽较窄。文献[5]中的天线带宽较宽且尺寸较小,但增益相对较低。尽管文献[8]中的天线性能较好,但其使用了更多二极管,导致结构复杂且制造成本提高。因此,这些天线在工作带宽、增益或尺寸方面存在一定的不足,无法很好地满足现代无线通信系统对较大宽带、较高增益和较小尺寸的需求。综合比较结果表明,本文的天线结构紧凑、带宽大、增益较高具有较好性能。

表3 本文天线与参考文献中天线对比Tab.3 Comparison between the antenna in this paper and the antenna in the references

3 结论

本文提出了一种应用于卫星通信的小型化双频天线,该天线以传统的圆形单极子天线为基础,通过削顶、矩形切割和开槽加载等多种处理方式,实现了天线尺寸的缩小和带宽的扩展。同时,提出了其等效电路模型,对其辐射原理进行了深入分析,并利用电磁仿真软件进行了仿真研究。结果表明,该天线尺寸紧凑、性能稳定,具有高增益、宽带宽和圆极化特性,用于卫星通信领域。虽然单极子天线固有局限性,只能在特定方向上接收和发射无线电波,但后续利用天线智能算法,提高其应用范围和精度。