S频段卫星通信圆极化天线研究与设计

作     者：谢敏 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵来定

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：S频段 圆极化 微带天线 振子天线 螺旋天线 小型化 

摘      要：随着近几年来,我国卫星通信事业的迅速发展,2016年成功发射天通一号01号卫星,2018年成功将天通一号02号卫星送入预定轨道,2021年成功将天通一号03星发射升空。自此,为我国军用和民用自主卫星移动通信服务的发展打开了大门。天通一号卫星与国际海事卫星所利用的L频段不同,该卫星工作在S频段,具体为1.98GHz至2.2GHz,在转发器数量和带宽上有明显的优势。因此,S频段的天线作为电路和自由空间的匹配器,在该频段卫星的接收和发射过程中起着至关重要的作用。天通一号卫星主要采用的是圆极化辐射,不同于往日单纯的线极化辐射,圆极化天线对于目标跟踪、卫星定位等领域具有很大的优势。特别地,当天线处于高纬度地区或者搭载在无人机等设备时,天通一号卫星与天线法线夹角很大,经常处于接近60°的范围,这就需要天线的接收角度范围非常大,且在该角度范围内天线又要保持由一定的辐射强度增益。为此,本文在天线一号卫星通信圆极化天线的项目背景下,选取了多种结构的驻波、行波天线进行设计,针对目前该频段大多数天线低仰角、宽波束、小型化等方面的问题进行研究与设计。本文主要设计了三种不同的结构的圆极化天线:第一种是三层加载工字型槽的双圆极化缝隙耦合微带天线。该微带天线结构选择了缝隙耦合天线,减小了馈电网络的辐射干扰。为了分别实现左、右旋圆极化,该天线的馈电网络采用了具有双端口馈电的定向耦合器结构。在两个端口分别输入信号激励,可以实现两个不同相位差但幅度相同的圆极化波,从而实现左旋圆极化与右旋圆极化。为了增加波束宽度,将传统的一字型缝隙改为工字缝隙以获得更多的耦合量。为了解决缝隙带来的背向辐射,减小方向图的不圆度,在传统缝隙天线两层结构上,增加了第三层的金属反射板。最终仿真结果表明,该缝隙耦合天线可以在120°的波束范围内辐射高增益电磁,120°张角增益在上下频段内均大于1d Bi,右旋圆极化工作时中心0°增益最高可至6.7d Bi。在工作频段1.98GHz至2.2GHz内,两个端口的电压驻波比均小于1.4,在100°波束宽度内轴比均小于3d B,。与此同时,在该天线单阵元的基础上,拓展设计了具有更高增益的四阵元面阵天线,经测试,工作频段内电压驻波比小于1.8,中心最大增益大于10d Bi。第二种是自相移的交叉振子天线。利用电振子和磁振子在方向图上互补的原理,将两种结构结合提高天线的低仰角增益和方向图圆度。将两完全相同的电振子正交放置构成交叉振子结构,并在相邻振子之间添加四分之一波长的金属圆环,使天线自身产生-90°的相移,实现圆极化特性。最终天线半径仅38mm,高度仅18mm,可以在120°的波束范围内保持有较高的增益,120°张角处最低增益为1.4d Bi,中心最大增益5.6d Bi。同时,端口的电压驻波比在其频带范围内均小于1.4,在上下行中心频率处都具有大于90°的3d B轴比波束宽度。第三种是小型化的圆极化四臂螺旋天线。四臂螺旋天线可以看作是四个完全相同的螺旋臂组成的天线阵列。通过功分器或者电桥的方式为每个天线臂进行馈电,且各天线臂端口处电压幅度相等,相位根据左旋圆极化的要求依次相差-90°。传统的螺旋臂天线的高度尺寸常为整数倍的四分之一工作波长。以本设计的工作频段为例,半波长螺旋臂长度的天线高度约为65mm。为了降低天线剖面实现小型化设计,通过对传统的四臂螺旋天线进行相移耦合芯片加载、寄生臂加载和介质加载等方法进行优化,最终天线的高度小于55mm,在其工作频段内电压驻波比小于1.4,并在120°张角处辐射不小于1.5d Bi的增益,同时3d B轴比波束宽度大于120°。