Ku∕Ka双频共口径微带阵列天线设计

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1、2012年10月中国空间科学技术第5期ChineseSpaceScienceandTechn0109yKu／Ka双频共口径微带阵列天线设计刘洋董涛王昕(北京卫星信息工程研究所，北京100086)摘要采用双频段天线共面嵌套放置，实现了结构紧凑的Ku／Ka双频共口径微带阵列天线设计。Ku频段天线单元采用微带线侧馈，Ka频段天线单元通过在接地板开L形缝隙进行耦合馈电实现圆极化工作。仿真和测试结果表明了设计的可行性。Ku／Ka频段天线仿真的相对带宽分别为2．2％和4．3％，实测结果分别为2．1％和3．4％。该结构的天线可应用于Ku／Ka频段的卫星通信中。关键词微带天线双频共口径天线耦合馈电圆极化卫

2、星通信DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2012．05．0031引言卫星通信的快速发展对天线系统提出了更高的要求：多频段、多极化、宽频带、小型化等。共口径天线可以把频率、极化特性不同的多个天线合理设计在同一口径内，在保持天线结构紧凑的同时，还具有多频、多极化工作的性能，是卫星通信天线未来发展趋势。共口径天线组阵单元的形式主要有微带贴片、微带振子、缝隙等口]。文献[2]设计了一种Ku／Ka双频共口径天线，通过Ka频段方形微带贴片和置于其下方空隙处的Ku频段十字微带缝隙，实现了Ku频段双线极化和Ka频段线极化工作。文献[3]提出了一种Ku／C双频天线，由c频段的十字贴片

3、和对称分布在其四周的4个Ku频段方形贴片组成，该几何结构具有结构紧凑和模块化等特点，通过简单的几何调整就可以实现不同的频率比。在卫星通信领域，圆极化天线由于具有抗多径反射能力强等优点，得到了广泛应用。但是，在上述的双频共口径天线设计中，天线在两个频段均为线极化工作，当通信卫星天线的极化形式为圆极化时，将存在极化损失。微带天线通过切角、表面开槽、正交双馈等能够比较方便地实现圆极化。缝隙耦合馈电也可以实现圆极化，常见的方法有：在地板开长度不等的交叉十字缝隙；对两个垂直的矩形缝隙正交双馈等¨巧J。本文提出了一种Ku／Ka双频共口径微带阵列天线的新设计，实现了Ka频段天线的圆极化工作和Ku频段天线

4、的线极化工作。采用平面微带天线方案，并将两频段天线单元共面嵌套放置，满足飞行器载体对天线低剖面和小型化的设计要求。2天线设计2．1设计思想本文提出的共口径阵列天线设计的关键在于阵面布局、馈电网络设计和Ka频段圆极化的实现。收稿日期：20111024。收修改稿日期：201112—15!!±垦窒囹壁兰垫查!!!!生!Q旦天线的阵面布局主要包括天线的单元间距、单元形式以及单元的排列方式。单元间距是阵面布局中需要首先确定的。考虑到Ku、Ka两个频段频率比约为1：2，将两个频段的天线单元嵌套放置，使Ku单元间距为Ka单元间距的2倍。Ku频段单元对称放置在4个Ka频段单元的中心，采用四角切角形式为Ka

5、频段单元留出放置空间。两个频段的单元均采用方形贴片。经过理论计算以及仿真优化，Ka频段单元间距为O．7Ax。，Ku频段单元间距为O．75Ax。；Ka频段天线单元边长为o．3Ax。，Ku频段天线单元边长为o．35A。。，切角部分为边长为o．08A。。的正方形。上述单元尺寸和间距恰能使得天线合理紧凑布局。为了减小不同频段间的耦合，避免馈线的布线空间不足，采用多层结构将两个频段的馈电网络安排在不同的介质层上。Ku频段天线采用微带线侧馈形式，馈电网络与天线单元在同一平面；Ka频段天线由于贴片单元数较多，馈电网络设计相对复杂，因此将Ka频段馈电网络单独设计在下一层上，馈电网络位于接地板下方，通过接地

6、板上的缝隙耦合馈电。本文采用L形缝隙耦合馈电实现Ka频段天线的圆极化工作。对于微带贴片，当采用单个细长矩形缝隙耦合馈电时，可辐射线极化波。而L形缝隙相当于组合了两个彼此垂直的矩形缝隙。通过调节L形缝隙水平、垂直两臂的长度、宽度，以及馈电点的位置，能够在微带贴片上激励起两个满足圆极化条件的正交模，从而实现圆极化工作。2．2天线结构天线结构侧视示意和仿真模型如图1和图2所示，天线由辐射贴片单元、馈线、两层介质板、接地板及反射腔构成。两层介质板均使用厚度为o．508mm，介电常数为2．2的RogersRT5880材料。两个频段辐射贴片单元位于介质板1的上方；Ka频段馈线位于介质板2下面，L形馈电

7、缝隙开在位于两层介质板之间的接地板上；为减小地板开缝带来的背向辐射，在天线的底部加入一个高度为四分之一波长的反射腔，改善天线方向图的前后比，提高天线的增益。地Ka频段单元＼＼＼／一＼＼耦合馈电缝隙／／，一、Ka频段馈线7反射腔图1天线侧视示意Fig．1Sideviewofproposedantenna3仿真与测试结果上介质板1介质板2下图2天线仿真模型Fig．2Simulatedmodelofproposedantenn