ka波段卫星通信双极化微带阵列天线研究

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1、Ka波段卫星通信双极化微带阵列天线研究摘要：对混合馈电结构的两种馈电方式的传输模型进行分析，确定缝隙的形式“H”型缝隙；然后介绍介质基板的选和微带贴片的解析计算方法，确定天线的初始尺寸；研究了Ka波段双极化微带天线4*4阵列的设计方法。最后对无过孔双极化微带天线阵列和加载过孔双极化微带天线阵列的结构和仿真结果进行分析。测试结果表明，在34.6～35.4GHz带宽内，驻波优于3.0，端口隔离优于-40dB，增益优于17dB。中国8/vie　　关键词：Ka波段；双极化；卫星通信　　中图分类号：TP393文献标识码：A：100

2、9-3044（2017）04-0019-05　　1引言　　Ka波段的频率范围为26.5-40GHz，Ka频段具有可用带宽，干扰少，设备体积小的特点。因此，Ka频段卫星通信系可为高速卫星通信、千兆比特级宽带数字传输、高清晰度电视（HDTV）、卫星新闻采集（SNG）、VSAT业务、直接到户（DTH）业务及个人卫星通信等新业务提供一种崭新的手段。现代卫星通信频谱资源日益紧张，双极化微带天线可以实现频率复用，同时发射或接收两个正交极化的电磁波，通信容量增大一倍，实现极化分集接收，减小多径传播影响，可实现移动卫星通信，研究双极化微

3、带天线很有必要。Ka波段，双极化微带阵列和双极化波导缝隙阵列，可实现很强，但是一直没有得到应用。制约其发展的很大因素是加工工艺问题。本文在传统固定极化单脉冲天线的背景下，研究了Ka波段双极化微带单脉冲天线阵列。　　2混合馈电双极化微带天线单元设计　　本文确定采用微带混合馈电方式实现Ka波段双极化特性，微带贴片采用方形贴片，馈电方式采用混合馈电。考虑实际制板因素，需要在设计过程考虑介质基板、粘结胶等影响因子。下面介绍双极化微带天线单元的设计过程。　　2.1介质基板的选取　　微带天线的设计首先需要选择合适的介质基板，其性能对

4、天线性能指标影响很大。介质基板的选择主要依据两个方面[3]：材料属性和几何属性。材料属性包含介质基板的介电常数、损耗角正切等；几何属性主要是介质板的厚度。一般情况，随着介质基板的介电常数的升高，天线的尺寸会减小，天线带宽也变小；损耗正切值与天线的效率直接相关，它决定于材料特性、工作频率、基板厚度等因素。　　基板厚度与天线的工作带宽、交叉极化性能和天线整体尺寸相关，并且基板的厚度受到板材规格的限制。一般情况，随着基板厚度的增大，天线辐射效率提高，工作带宽展宽，但是表面波辐射也会增大。　　总之，基板的介电常数、损耗角正切和介

5、质基板厚度对天线的辐射特性、匹配特性等性能的影响是直接的。但是上述性能往往又是彼此相互制约的，因此，实际设计过程中应根据实际应用选择[4]。本文设计中三层介质基板Die1、Die2和Die3均采用RogersRT/Duroid5880聚四氟乙烯作�榻橹驶�板材料，厚度为10mil。选用此规格介质基板的原因主要有两点：　　1）Ka波段，Rogers5880的损耗角正切值较小，馈电网络引起的损耗较小，一般为，天线辐射效率较高。　　2）选用厚度为10mil的规格，主要出于对天线单元的匹配特性和阵列功分网络设计的综合考虑。厚度较

6、厚便于天线单元共面微带馈电的匹配，但是阵列功分网络将会存在较宽的微带匹配段，引入较大互耦，也会引起较大的寄生辐射，降低天线性能。　　相对于介质基板的选择，粘结胶的选择自由度较小，主要考虑板材的粘合度、应用环境以及粘结胶的加工特性，由PCB加工厂商提供。本应用中J1和J2采用介电常数为2.6，厚度为0.1mm的FastpriseFR28。至此，介质基板均已确定，下面介绍微带辐射贴片的设计。　　2.2微带辐射贴片设计　　本文辐射贴片选用方形贴片，方形贴片的理论已很成熟，也有利于天线的交叉极化性能和匹配特性。设矩形贴片的长为m

7、，L=2.67mm。由于本文设计的辐射贴片采用方形贴片，为了实现双极化，方形的两条边均作为辐射边，故辐射贴片的边长选用2.67mm。　　3微带阵列天线设计　　在阵列设计时，阵列单元、阵元间距、阵列单元排布形式、阵列单元馈电权值、馈电网络形式等均需要确定。本文设计16单元阵列，均匀分布，且等幅同相馈电，阵元间距和馈电网络的形式需要进一步确定。　　3.1阵列馈电方式选取　　馈电网络的主要目的是给予天线单元所需要的激励电流幅度和相位，达到阵列综合的目的。选取馈电网络形式的主要原则有：结构简单、易匹配、损耗小、带宽等。阵列馈电形

8、式主要有并联馈电（图1（a））和串联馈电（图1（b））两种形式，以及两者组合馈电。两中馈电方式各有优势。　　并联馈电设计简单，各阵元所要求电流激励幅度和相位容易分配。并联馈电的馈电网络与阵列单元相对独立，这为阵列综合提供了很好的设计前提，并且容易实现宽带匹配。但是，这种馈电占用空间较大，随着阵元增多，馈线长度增加很快