ka波段衛(wèi)星通信雙極化微帶陣列天線研究

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1、Ka波段衛(wèi)星通信雙極化微帶陣列天線研究摘要：對混合饋電結(jié)構(gòu)的兩種饋電方式的傳輸模型進行分析，確定縫隙的形式“H”型縫隙；然后介紹介質(zhì)基板的選和微帶貼片的解析計算方法，確定天線的初始尺寸；研究了Ka波段雙極化微帶天線4*4陣列的設(shè)計方法。最后對無過孔雙極化微帶天線陣列和加載過孔雙極化微帶天線陣列的結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果進行分析。測試結(jié)果表明，在34.6～35.4GHz帶寬內(nèi)，駐波優(yōu)于3.0，端口隔離優(yōu)于-40dB，增益優(yōu)于17dB。中國8/vie　　關(guān)鍵詞：Ka波段；雙極化；衛(wèi)星通信　　中圖分類號：TP393文獻標識碼：A：100

2、9-3044（2017）04-0019-05　　1引言　　Ka波段的頻率范圍為26.5-40GHz，Ka頻段具有可用帶寬，干擾少，設(shè)備體積小的特點。因此，Ka頻段衛(wèi)星通信系可為高速衛(wèi)星通信、千兆比特級寬帶數(shù)字傳輸、高清晰度電視（HDTV）、衛(wèi)星新聞采集（SNG）、VSAT業(yè)務(wù)、直接到戶（DTH）業(yè)務(wù)及個人衛(wèi)星通信等新業(yè)務(wù)提供一種嶄新的手段。現(xiàn)代衛(wèi)星通信頻譜資源日益緊張，雙極化微帶天線可以實現(xiàn)頻率復用，同時發(fā)射或接收兩個正交極化的電磁波，通信容量增大一倍，實現(xiàn)極化分集接收，減小多徑傳播影響，可實現(xiàn)移動衛(wèi)星通信，研究雙極化微

3、帶天線很有必要。Ka波段，雙極化微帶陣列和雙極化波導縫隙陣列，可實現(xiàn)很強，但是一直沒有得到應(yīng)用。制約其發(fā)展的很大因素是加工工藝問題。本文在傳統(tǒng)固定極化單脈沖天線的背景下，研究了Ka波段雙極化微帶單脈沖天線陣列。　　2混合饋電雙極化微帶天線單元設(shè)計　　本文確定采用微帶混合饋電方式實現(xiàn)Ka波段雙極化特性，微帶貼片采用方形貼片，饋電方式采用混合饋電?？紤]實際制板因素，需要在設(shè)計過程考慮介質(zhì)基板、粘結(jié)膠等影響因子。下面介紹雙極化微帶天線單元的設(shè)計過程。　　2.1介質(zhì)基板的選取　　微帶天線的設(shè)計首先需要選擇合適的介質(zhì)基板，其性能對

4、天線性能指標影響很大。介質(zhì)基板的選擇主要依據(jù)兩個方面[3]：材料屬性和幾何屬性。材料屬性包含介質(zhì)基板的介電常數(shù)、損耗角正切等；幾何屬性主要是介質(zhì)板的厚度。一般情況，隨著介質(zhì)基板的介電常數(shù)的升高，天線的尺寸會減小，天線帶寬也變?。粨p耗正切值與天線的效率直接相關(guān)，它決定于材料特性、工作頻率、基板厚度等因素?！　』搴穸扰c天線的工作帶寬、交叉極化性能和天線整體尺寸相關(guān)，并且基板的厚度受到板材規(guī)格的限制。一般情況，隨著基板厚度的增大，天線輻射效率提高，工作帶寬展寬，但是表面波輻射也會增大。　　總之，基板的介電常數(shù)、損耗角正切和介

5、質(zhì)基板厚度對天線的輻射特性、匹配特性等性能的影響是直接的。但是上述性能往往又是彼此相互制約的，因此，實際設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用選擇[4]。本文設(shè)計中三層介質(zhì)基板Die1、Die2和Die3均采用RogersRT/Duroid5880聚四氟乙烯作?榻櫓駛?板材料，厚度為10mil。選用此規(guī)格介質(zhì)基板的原因主要有兩點：　　1）Ka波段，Rogers5880的損耗角正切值較小，饋電網(wǎng)絡(luò)引起的損耗較小，一般為，天線輻射效率較高?！　?）選用厚度為10mil的規(guī)格，主要出于對天線單元的匹配特性和陣列功分網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的綜合考慮。厚度較

6、厚便于天線單元共面微帶饋電的匹配，但是陣列功分網(wǎng)絡(luò)將會存在較寬的微帶匹配段，引入較大互耦，也會引起較大的寄生輻射，降低天線性能?！　∠鄬τ诮橘|(zhì)基板的選擇，粘結(jié)膠的選擇自由度較小，主要考慮板材的粘合度、應(yīng)用環(huán)境以及粘結(jié)膠的加工特性，由PCB加工廠商提供。本應(yīng)用中J1和J2采用介電常數(shù)為2.6，厚度為0.1mm的FastpriseFR28。至此，介質(zhì)基板均已確定，下面介紹微帶輻射貼片的設(shè)計?！　?.2微帶輻射貼片設(shè)計　　本文輻射貼片選用方形貼片，方形貼片的理論已很成熟，也有利于天線的交叉極化性能和匹配特性。設(shè)矩形貼片的長為m

7、，L=2.67mm。由于本文設(shè)計的輻射貼片采用方形貼片，為了實現(xiàn)雙極化，方形的兩條邊均作為輻射邊，故輻射貼片的邊長選用2.67mm。　　3微帶陣列天線設(shè)計　　在陣列設(shè)計時，陣列單元、陣元間距、陣列單元排布形式、陣列單元饋電權(quán)值、饋電網(wǎng)絡(luò)形式等均需要確定。本文設(shè)計16單元陣列，均勻分布，且等幅同相饋電，陣元間距和饋電網(wǎng)絡(luò)的形式需要進一步確定?！　?.1陣列饋電方式選取　　饋電網(wǎng)絡(luò)的主要目的是給予天線單元所需要的激勵電流幅度和相位，達到陣列綜合的目的。選取饋電網(wǎng)絡(luò)形式的主要原則有：結(jié)構(gòu)簡單、易匹配、損耗小、帶寬等。陣列饋電形

8、式主要有并聯(lián)饋電（圖1（a））和串聯(lián)饋電（圖1（b））兩種形式，以及兩者組合饋電。兩中饋電方式各有優(yōu)勢?！　〔⒙?lián)饋電設(shè)計簡單，各陣元所要求電流激勵幅度和相位容易分配。并聯(lián)饋電的饋電網(wǎng)絡(luò)與陣列單元相對獨立，這為陣列綜合提供了很好的設(shè)計前提，并且容易實現(xiàn)寬帶匹配。但是，這種饋電占用空間較大，隨著陣元增多，饋線長度增加很快