星载高增益宽频带高指向性阵列天线设计

金宇婷，邢斯瑞，安向东，吴 简

（长光卫星技术股份有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

在科技飞速发展的今天，遥感卫星应用领域越来越广泛，包括国土普查、深空探测、资源勘探、环境监测、减灾防灾、铁路选线、地理测绘与调查、农业估产、草原及林区普查等多个领域[1-6]。其中各种电磁设备正不断向小型化、高集成度、高性能化发展，以满足系统级的优良性能及不同的功能需求[7-8]。天线作为卫星的收发前端，有着非常重要的地位和意义。

星载天线目前在轨卫星使用的天线形式多种多样：微带天线、抛物面天线、波导缝隙天线、偶极子天线、喇叭天线等[9-11]。微带天线与其他天线相比，具有易集成、低剖面、易共形、易加工、馈电网络便于与辐射体一体化设计，结构紧凑，一致性好、低成本、适合批量生产等优点[12]。

本文依托吉林一号卫星网络，设计了一款星载X 波段高增益宽频带高指向性微带阵列天线，可以满足在星地传输时建立稳定的无线链路，以完成吉林一号的通信载荷工作。本天线单元和阵列的性能都是优良的，其工作在X 波段，均采用侧馈的能量输入方式，采用缝隙耦合馈电设计提高天线带宽，采用多层天线设计将辐射层和馈电网络层分离以减小电磁波串扰和提升分离设计简约度，同时达到小型化的目的，最后增加金属反射层以提高天线正向增益和前后比。吉林一号卫星网络包含多种卫星型号，对通信系统无线传输需求极大，此天线可为其数据传输提供无线保障，同时也为X 波段高增益宽频带高指向性微带阵列天线设计提供了一种新的思路。

1 天线单元设计与仿真

微带天线是在介质基板上通过光刻或真空镀膜技术形成相当于导带变形的天线辐射单元及其馈电结构。它是一种谐振式天线，其谐振特性类似于高Q 值并联谐振电路，所以传统微带天线的频带较窄，通常只有2%左右[13]。因此就诞生了很多拓展微带天线带宽的技术方法，如增加介质板的厚度、降低介质板的介电常数、采用有耗介质、馈电线路采用宽带阻抗匹配方式、采用新型介质基片材料、增加谐振点等[14]。综合考虑设计实现难易度、工程实现难易度、产品性能指标等方面，本设计采用第六种方法通过多层天线设计，以缝隙耦合馈电增加谐振点，使其频率各不相同，但又相互交叉，以达到拓展带宽的目的。

缝隙耦合馈电的微带天线可根据缝隙的不同形状得到不同的天线性能。如增加缝隙面积可以增大馈电网络与辐射贴片的有效耦合面积，增大天线辐射效率；改变缝隙形状可以控制电流分布来增减谐振点数，增大天线工作带宽[15]。本文设计的天线单元为5 层：第一、三层为介质层，第二、四层为介质-空气架高层，第五层为金属反射层。辐射贴片在第一层介质层上表面，第三层上表面覆铜作为天线的地，其中有1 个H 型缝隙，介质板下表面为馈电层，电磁能量经SMA 接头输入给馈电网络，再经过地层的H 型缝隙耦合给微带贴片，经空间辐射出去。微带天线单元采用正方向贴片原型，其边长理论值为：

式中：f为设计天线的工作频率9.6 GHz；εr为是介质基板的相对介电常数，本文采用F4BM220，介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，可根据式（1）计算天线模型的原始尺寸。

天线单元整体结构如图1 所示，其中各个尺寸数值如下：a=9.55 mm，h1=0.762 mm，h2=2.8 mm，h3=0.254 mm，h4=3.1 mm，h5=2 mm。天线缝隙耦合馈电结构如图2 所示，其中各个尺寸数值如下：m1=0.95 mm，m2=0.53 mm，m3=4 mm，m4=3.67 mm。端口1 为能量输入端口。

图1 天线单元整体结构图

图2 天线单元馈电结构图

利用仿真软件进行电磁建模仿真，天线单元回波损耗结果如图3 所示。由图可知，在中心频点9.6 GHz 处回波损耗为-37.4 dB，工作频带9.4～9.8 GHz 内回波损耗≤-37 dB，-10 dB 天线带宽为8.53～10.47 GHz，共1.94 GHz，相对带宽为20.2%，天线单元匹配性能良好。由此可见，缝隙耦合馈电方式对微带天线的频带展宽有着显著效果。

图3 天线单元回波损耗仿真结果图

图4 为天线单元方向图的仿真结果。由图可知，在中心频率法向方向增益为9 dB，前后比为27.2 dB，半功率波瓣宽度E 面为55°，H 面为62.5°。图5 为天线单元增益随频率变化的仿真结果。由图可知，在中心频点9.6 GHz 处增益为9 dB，在9.4 GHz 到9.8 GHz 工作频段内，增益曲线平滑，均大于8.7 dB，可见天线单元辐射性能良好。

图4 天线单元方向图仿真结果图

图5 天线单元增益随频率变化仿真结果图

2 阵列天线的设计、仿真与实测

本文基于上述天线单元的设计思路，设计了一款64单元和256 单元的X 波段高增益宽频带微带阵列天线。阵列天线采用SMA 侧馈设计，便于安装与测试调试。阵列天线中天线单元间距的选择非常重要。间距越大，阵列天线的增益越大、各辐射贴片和馈电线之间的耦合越小，但波束宽度会减小，栅瓣会相应增大，影响阵列天线的辐射性能；反之，间距越小，阵列天线的增益越小、各辐射贴片和馈电线之间的耦合越大，但波束宽度会增大，栅瓣会相应减小[16]。通常阵列天线的单元间距介于0.5λ～0.7λ之间，本文设计取0.6λ，λ为中心频率在自由空间辐射时的电磁波波长。阵列天线的结构如图6所示。

图6 阵列天线尺寸结构图

由于阵元数为2N个，因此64 单元的天线阵列馈电网络采用六级1 分2 功分网络实现，通过四分之一波长阻抗变换结构实现邻近两级馈电网络的连接。阵列天线整体馈电结构如图6 所示，为方便说明，将馈电层、地层和辐射层在同一层显示。其中各个尺寸数值如下：l1=0.95 mm，l2=4.21 mm，l3=1.44 mm，dx=18.8 mm，dy=18.8 mm。

64 单元阵列天线经加工后组装，在暗室中对其性能进行测试，将结果与仿真结果进行比对。图7 为阵列天线回波损耗的仿真与实测结果。由图可知，仿真时在中心频点9.6 GHz 处回波损耗为-18 dB，工作频带9.4～9.8 GHz 内回波损耗≤-18 dB，-10 dB 天线带宽可达1.16 GHz，相对带宽为12%。实测时在中心频点9.6 GHz 处回波损耗为-16.16 dB，工作频带9.4～9.8 GHz 内回波损耗≤-13.5 dB，-10 dB 天线带宽可达0.74 GHz，相对带宽为7.7%，阵列天线实现了良好匹配。图8 为阵列天线方向图的仿真与实测结果。由图可知，仿真时在中心频率法向方向增益为22 dB，前后比为37 dB，半功率波瓣宽度为10°。实测时在中心频率法向方向增益为20.2 dB，前后比为23 dB，半功率波瓣宽度为10.2°。可见，阵列天线实测数据与仿真数据基本吻合。图9 为64 单元阵列天线加工实物照片。

图7 64 单元阵列天线回波损耗仿真与实测图

图8 64 单元阵列天线方向图仿真与实测图

图9 64 单元阵列天线实物图

64 单元阵列天线测试结果优良，证明设计合理，现根据卫星总体指标，拓展设计256 单元的大型阵列天线，其馈电方式采用八级1 分2 功分网络实现，与图6 所示馈电结构相仿，经过电磁仿真软件仿真设计优化，调节多组参数，使其性能达到最优。仿真结果如图10 和图11 所示，256 单元阵列天线仿真时在工作频带9.4～9.8 GHz 内回波损耗≤-18 dB，-10 dB 相对带宽可达10%以上，可见阵列天线实现了良好匹配。在中心频率9.6 GHz 处法向增益为27.5 dB，前后比为30.6 dB，半功率波瓣宽度E 面为10.2 °，H 面为2.6 °，天线空间指向性较好。经加工后组装测试如图12 所示，天线在工作频带9.4～9.8 GHz 内回波损耗≤-14.5dB，-10 dB 天线带宽较宽，可满足10%以上，可见阵列天线整体实现了50 Ω的良好匹配。在中心频率9.6 GHz 处法向增益为25.9 dB，半功率波瓣宽度E 面为10.2º，H 面为2.53º。可见，阵列天线实测数据与仿真数据基本吻合。

图10 256 单元阵列天线回波损耗仿真与实测图

图11 256 单元阵列天线方向图仿真与实测图

3 结论

本文设计了一款64 单元和256 单元的星载X 波段高增益宽频段微带阵列天线。阵列天线采用侧馈的能量输入方式，采用缝隙耦合馈电的设计提高了天线带宽，采用多层天线设计将辐射层和馈电网络层分离以减小电磁波串扰和提升分离设计简约度，同时达到小型化的目的，最后增加金属反射层以提高天线正向增益和前后比。64 单元和256 单元阵列天线均加工后测试。小阵列天线工作频带内回波损耗≤-13.5 dB，-10 dB 天线带宽可达0.74 GHz，相对带宽为7.7%，法向增益为20.2 dB，前后比为23 dB，半功率波瓣宽度为10.2°。大阵列天线工作频带内回波损耗≤-14.5 dB，-10 dB 天线带宽较宽，可满足10%以上，法向增益为25.9 dB，半功率波瓣宽度E 面为10.2°，H 面为2.53°。天线测试结果与仿真结果基本一致，验证了设计的合理性。吉林一号卫星网络包含多种卫星型号，对通信系统无线传输需求极大，此天线可为其数据传输提供无线保障，同时也对X 波段高增益宽频带微带阵列天线的设计有一定的指导意义。