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S频段卫星通信圆极化天线研究与设计

S频段卫星通信圆极化天线研究与设计

作者：谢敏南京邮电大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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°。

关键词： S频段圆极化微带天线振子天线螺旋天线小型化

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一种S频段双圆极化相控阵子阵天线设计

遥测遥控 2022年第2期43卷 97-103页

作者：魏德肖陈兵崔雪琪张睿重庆航天火箭电子技术有限公司重庆400039

针对航天多目标测控领域中的相控阵天线,设计了一种工作在S频段、尺寸为116 mm×116 mm×16 mm的双圆极化微带相控阵子阵天线。天线采用探针接触和电磁耦合两种馈电方式实现宽频带,通过90°极化电桥实现左、右旋同时双圆极化,通过合理... 详细信息

针对航天多目标测控领域中的相控阵天线,设计了一种工作在S频段、尺寸为116 mm×116 mm×16 mm的双圆极化微带相控阵子阵天线。天线采用探针接触和电磁耦合两种馈电方式实现宽频带,通过90°极化电桥实现左、右旋同时双圆极化,通过合理布设金属化接地孔提高阵元间隔离度。研究结果表明,相控阵子阵天线在工作频带内的回波损耗35°,电压驻波比≤1.43,±60°角域内的轴比≤2.1 dB,仿真和测试结果一致性较高;天线具有低剖面(高度为0.1λ_(0),λ_(0)为空气介质波长)、结构简单、易于加工等特点,满足预期设计要求,为多目标相控阵测控系统研制提供了技术依据和产品支撑。

关键词： S频段相控阵双圆极化子阵天线

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一种用于S频段的右旋圆极化卫星通信天线

中国宽带 2022年第4期18卷 14-16页

作者：李英杰卫静西安克拉克通信科技有限公司

通常s波段卫星通信天线具有尺寸面积大、外形结构不简便、不易于加工、价格高、轴比差和工作带宽比较窄等缺陷,针对这些问题,设计出一种工作于s波段的右旋圆极化印刷天线。通过将两个1/4圆环大小形状的辐射体,设置在圆形辐射体的对角位... 详细信息

通常s波段卫星通信天线具有尺寸面积大、外形结构不简便、不易于加工、价格高、轴比差和工作带宽比较窄等缺陷,针对这些问题,设计出一种工作于s波段的右旋圆极化印刷天线。通过将两个1/4圆环大小形状的辐射体,设置在圆形辐射体的对角位置上,使其和圆形辐射体产生互相激励的作用,从而产生两个在幅度上相等、在相位上相差90°的线极化方式的电磁波,这样就可以形成右旋圆极化(RHCP)方式的电磁波,实现右旋圆极化(RHCP)。该天线可以对PCB板背面的矩形耦合单元进行切角,通过调整切角的大小,形成一个形状不规则的矩形耦合单元,从而达到改变该右旋圆极化天线的阻抗匹配和轴比大小的目的。这种天线结构外形简便,尺寸面积小,相对轴比的带宽比较宽,可以满足s波段上行工作频率1980MHz~2010MHz,下行工作频率2170MHz~2200MHz的卫星通信要求。

关键词： S频段卫星通信天线右旋圆极化印刷天线

一款小型化S频段高谐波抑制功率放大器的设计

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电讯技术 2018年第11期58卷 1351-1355页

作者：刘宇航谢义方中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院大学北京100190

为了确保卫星系统电磁兼容性满足要求,设计了一款应用于卫星测控通信系统的小型化S频段高谐波抑制功率放大器。通过在功放输出端设置谐波抑制网络改善了电路的谐波抑制性能。采用集总与分布参数元件相结合匹配形式,实现了电路的小型化... 详细信息

为了确保卫星系统电磁兼容性满足要求,设计了一款应用于卫星测控通信系统的小型化S频段高谐波抑制功率放大器。通过在功放输出端设置谐波抑制网络改善了电路的谐波抑制性能。采用集总与分布参数元件相结合匹配形式,实现了电路的小型化设计。电路尺寸38. 5 mm×28. 2 mm。通过对功放腔体结构进行细化建模仿真,确保了功放电路的稳定性。实测结果表明,当工作频率为2. 52 GHz时,功放1 d B压缩点大于31 d Bm,谐波抑制度大于61 d Bc,功率附加效率高于35%, 1 d B带宽大于320 MHz。与国内外同类产品相比,该功放在谐波抑制性能等方面具有明显优势。

关键词：卫星测控通信系统固态功率放大器 S频段小型化谐波抑制性能

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S频段500 W高稳相固态功放设计

电子技术应用 2023年第7期49卷 7-10页

作者：李成虎中国西南电子技术研究所四川成都610036

介绍了一种S频段500 W高稳相固态功放的工程实现。根据实际工程需求,采用4片功率芯片进行大功率合成,在2025 MHz~2120 MHz频率范围内实现输出功率大于600 W的固态功率放大器。采用了低附加相移电路设计、微波板材模块化设计、功率回退... 详细信息

介绍了一种S频段500 W高稳相固态功放的工程实现。根据实际工程需求,采用4片功率芯片进行大功率合成,在2025 MHz~2120 MHz频率范围内实现输出功率大于600 W的固态功率放大器。采用了低附加相移电路设计、微波板材模块化设计、功率回退等措施,实现了在0℃~30℃的环境温度条件下,输出功率在1 W~500 W功率范围内,功放输出端相位变化小于11.5°,满足了厘米级扩频测控系统对S频段固态功放的工程技术要求。

关键词： S频段固态功放高稳相低附加相移

S频段pHEMT双通道低噪声放大器芯片的设计

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微波学报 2015年第1期31卷 83-87页

作者：徐鑫张波徐辉王毅中国空间技术研究院西安分院西安710100

采用GaAs 0.13μmp HEMT MMIC流片工艺设计和制作了一种S频段双通道低噪声放大器芯片,芯片内部集成了两个低噪声放大器通道、一级单刀双掷(sPDT)开关和一个晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平转换电路。低噪声放大器电路采用一级共源共栅场效应... 详细信息

采用GaAs 0.13μmp HEMT MMIC流片工艺设计和制作了一种S频段双通道低噪声放大器芯片,芯片内部集成了两个低噪声放大器通道、一级单刀双掷(sPDT)开关和一个晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平转换电路。低噪声放大器电路采用一级共源共栅场效应管(Cascode FET)结构实现,使其具有比单管更高的增益,简化了芯片拓扑,降低了芯片设计难度。经流片测试,在1.9~2.1GHz的工作频带内,芯片噪声系数优于1.4dB,增益大于22.5dB,输入驻波优于1.8,输出驻波优于1.4,输出1dB压缩点(P1dB)为10dBm。大量芯片样本在片测试统计数据表明该低噪声放大器成品率大于90%,性能指标优于目前同类商业芯片指标。

关键词： S频段双通道低噪声放大器单刀双掷开关共源共栅场效应管

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S频段单通道单脉冲自跟踪馈源研究

S频段单通道单脉冲自跟踪馈源研究

作者：刘兆明西安电子科技大学

学位级别：硕士

论文结合5.2米车载遥测天线科研项目进行选题,研究了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源的设计方法。论文研究内容可概述为:首先说明了文中所用到相关概念,讨论了国内外研究现状及存在问题,阐述了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源设计选题背景及... 详细信息

论文结合5.2米车载遥测天线科研项目进行选题,研究了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源的设计方法。论文研究内容可概述为:首先说明了文中所用到相关概念,讨论了国内外研究现状及存在问题,阐述了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源设计选题背景及意义。其次对S频段单通道单脉冲自跟踪馈源进行了研究,具体研究工作为:1、依据系统对5.2米车载遥测天线的指标要求,分析了指标实现的技术难点,即馈源双圆极化、小型化、高效率、宽频带指标的实现,提出了解决上述几个技术难点的技术途径;确定了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源所采用的技术方案。2、根据设计方案,采用HFss仿真软件对馈源辐射器及馈电网络进行了仿真设计,并将馈源辐射器的辐射方向图带入Grasp中进行了验证,馈源辐射器工作频段2.2GHz.8GHz,“和”方向图照射电平为9dB4dB,“差”方向图照射角内无副瓣照射,差零深大于37.5dB,辐射器差振子间距148mm,相比同类型的馈源辐射器体积缩小了40%;馈电网络仿真结果为宽频带电桥工作频段2.2GHz.8GHz,电压驻波比小于1.2:1,相位特性为90°±2°,仿真结果表明馈源的电参数完全满足设计指标要求,说明了设计方案的合理可行3、在仿真设计达到指标要求的情况下,研制了S频段单通道单脉冲自跟踪馈源工程样机,对样机测试结果为电压驻波比小于1.3:1,插入损耗为1.03dB,并将工程样机应用到5.2米车载遥测天线上,天线测试结果为2.3GHz的和效率为60%,轴比为0.77dB,差零深大于32.08dB,差斜率大于0.9078/度,样机测试结果和天线测试结果与设计结果吻合良好,验证了设计方法的有效性,同时也表明所研制的工程样机完全满足工程应用需求。文中最后指出了论文还需要进一步开展的研究工作。

关键词： S频段单通道单脉冲馈源

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S频段用于卫星导航的电磁环境研究

武汉大学学报（信息科学版） 2011年第10期36卷 1213-1217页

作者：赵阳李广侠常江刘赟解放军理工大学通信工程学院南京市御道街标营2号210007

结合不同的信号调制方式,在满足一定伪距误差的条件下,从所需信号发射功率小和与北斗一代相互干扰小的角度论证了RNss应用BOC（6,1）和BOC（6,2）两种调制方式的优势。并且对2 483.5~2 500 MHz频段中导航系统与其他通信系统之间的干扰... 详细信息

结合不同的信号调制方式,在满足一定伪距误差的条件下,从所需信号发射功率小和与北斗一代相互干扰小的角度论证了RNss应用BOC（6,1）和BOC（6,2）两种调制方式的优势。并且对2 483.5~2 500 MHz频段中导航系统与其他通信系统之间的干扰作出估计,论证了GNss系统与其他无线电业务的兼容性。

关键词： S频段干扰兼容性

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系统级封装的S频段射频收发模块研制

电讯技术 2016年第5期56卷 581-584页

作者：武红玉厉志强汪江涛中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051

研制了一种小体积的S频段射频收发系统级封装(sIP)模块,内部集成了基于多种工艺的器件。模块接收通道一次变频,发射通道二次变频,内部集成中频和射频本振信号源。模块采用双腔结构,不同腔体之间通过绝缘子进行垂直互连,大大减小了模块体... 详细信息

研制了一种小体积的S频段射频收发系统级封装(sIP)模块,内部集成了基于多种工艺的器件。模块接收通道一次变频,发射通道二次变频,内部集成中频和射频本振信号源。模块采用双腔结构,不同腔体之间通过绝缘子进行垂直互连,大大减小了模块体积,模块体积为40 mm×40 mm×10 mm。模块采用正向设计,其主要指标的测试结果为:接收通道动态范围-100^-40 d Bm,输出信号0~2 d Bm,噪声系数小于等于2.8 d B,带外抑制大于等于50 d Bc;发射通道输出信号大于等于2d Bm,二次、三次谐波抑制大于等于60 d Bc,杂波抑制大于等于55 d Bc,相位噪声在1 k Hz和10 k Hz处分别小于等于-82 d Bc/Hz和-91 d Bc/Hz。实测结果与仿真结果基本一致。

关键词： S频段射频收发系统系统级封装本振信号源垂直互连结构