CN104701612A - 一种用于低轨卫星通信的微带天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于低轨卫星通信的微带天线，包括正方形介质基片和附着于正方形介质基片上且与正方形介质基片同中心的正方形覆铜贴片，正方形覆铜贴片的对角线与正方形介质基片的对角线位置重合，正方形介质基片的四个角分别切去直角边长为3.0mm的直角三角形，正方形覆铜贴片对称的两个角分别切去直角边长为6.90mm的直角三角形，正方形介质基片四边的中垂线上距离正方形介质基片中心位置26mm处设有贯穿正方形介质基片和正方形覆铜贴片的馈孔，馈孔内导体直径为1.00mm，馈孔外导体内径为2.30mm。本发明将用于厘米波、毫米波的贴片微带天线技术应用到微波波段的低频段，在满足性能指标的同时实现了该频段微带天线的便携化和小型化。

Description

一种用于低轨卫星通信的微带天线

技术领域

本发明属于微带天线技术领域，具体涉及一种用于低轨卫星通信的微带天线。

背景技术

低轨卫星是相对于地球同步轨道卫星，主要指运行于大椭圆轨道上并存在明显近地点的卫星，一般为小重量、短寿命的小型卫星，主要应用于测绘、探测、照相和卫星电话等要求解析精度高、信号衰减小的近地通信、测量场合。低轨道卫星由于存在明显近地点，此时卫星发射的电磁波到达地面直线距离很短，有利于用天线增益较低、发射功率较小的便携设备收发，因此常被用做卫星定位系统（GPS）、便携式卫星电话等低增益天线设备的通信信源或中继站。

微带天线因其可共形、重量轻、低成本、易组装成阵列、易采用微波集成电路加工、易实现圆极化等特点，在卫星通信、航空航天通信和移动通信终端等便携式通信设备中都有广泛应用，尤其适合制作成小体积便携设备的内置天线，但是多数情况下贴片微带天线技术主要用于厘米波、毫米波频段。本发明设计了一种适用于低轨卫星通信的特高频频段（分米波）的便携式矩形贴片微带天线，将多数情况下用于厘米波、毫米波的贴片微带天线技术应用到微波波段的低频段，满足了卫星通信终端性能指标和尺寸参数的要求。

发明内容

本发明为解决低轨卫星通信中机动、分散的便携通信终端设备收发天线设计问题而提供了一种用于低轨卫星通信的微带天线，该微带天线在满足主要性能指标的前提下尽可能缩减尺寸至可以植入卫星通信中的便携式终端设备，实现了卫星终端的便携化和小型化。本微带天线的主要参数如下：椭圆圆极化场长短轴比dB(Axis Ratio)不差于4dB，最大线径（边长）≤15cm，驻波比ρ≤2，辐射张角≥110°，发射频率398MHz，发射带宽4MHz。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：一种用于低轨卫星通信的微带天线，其特征在于包括正方形介质基片和附着于正方形介质基片上且与正方形介质基片同中心的正方形覆铜贴片，正方形覆铜贴片的对角线与正方形介质基片的对角线位置重合，其中正方形介质基片选用介电常数为10.2、厚度为2.54mm的Rogers板材，正方形介质基片的边长为128.05mm，在正方形介质基片的四个角分别切去直角边长为3.0mm的直角三角形，正方形覆铜贴片的厚度为70μm，边长为117.85mm，在正方形覆铜贴片对称的两个角分别切去直角边长为6.90mm的直角三角形，正方形介质基片四边的中垂线上距离正方形介质基片中心位置26mm处设有贯穿正方形介质基片和正方形覆铜贴片的馈孔，馈孔内导体直径为1.00mm，馈孔外导体内径为2.30mm。

本发明是一种适用于低轨卫星通信的特高频频段（分米波）的便携式矩形贴片微带天线，将多数情况下用于厘米波、毫米波的贴片微带天线技术应用到微波波段的低频段，在满足性能指标的同时实现了该频段微带天线的便携化和小型化。

附图说明

图1为理想矩形贴片微带天线的结构示意图；

图2为正方形覆铜贴片的切角尺寸优化曲线；

图3为正方形覆铜贴片的边长优化曲线；

图4为馈孔位置的优化曲线；

图5为本发明中用于低轨卫星通信的微带天线的俯视图；

图6为本发明中用于低轨卫星通信的微带天线的侧视图；

图7为采用矢量网络分析仪对微带天线的各个参数进行测试的工作频带参数汇总曲线。

图面说明：1、正方形介质基片，2、正方形覆铜贴片，3、馈孔。

具体实施方式

结合附图详细描述本发明的具体内容。

本发明解决了微带天线的便携化和小型化的问题，为实现这一特性要充分利用一切可能的技术手段来缩小天线尺寸，这样既可以更好地满足设计要求的小尺寸，同时又减少了天线加工材料的面积，进而降低材料成本。

所述的用于低轨卫星通信的微带天线的设计包括以下步骤：

（1）第一层正方形覆铜贴片的覆铜材料为70μm厚度的黄铜，黄铜的导电率差些，不易加工，但硬度较好，可以长期使用，是制成品的首选材料，这里选择黄铜作为覆铜材料是因为其拥有远大于工作频率趋肤深度的厚度，可以通过激光刻蚀技术克服黄铜的加工难题。

（2）最主要的缩小尺寸的方法无疑是采用高介电常数材料，通过缩波技术缩小波导波长来减小半波尺寸。提高介电常数的做法是有效的，但是是有条件的、受限制的，通过优选平衡各方面性能，将介电常数取值范围限定为10-25，太低缩波不明显，依据施奈德经验公式，太高如 只比时缩短不到三分之一却要付出近一半的带宽，本发明的正方形介质基片选用介电常数=10.2、厚度h=2.54mm的Rogers 3010板材。

（3）便携设备的移动性使其长时间保持线极化方向匹配是不现实的，低轨卫星摩擦大气产生的旋转（也是卫星轨道稳定的需要）导致多数低轨通卫星本身对地通信多采用圆极化波，这些因素都客观上要求低轨卫星通信系统地面站（端）天线的圆极化设计，以保证随时随地保持地面设备和卫星之间的有效通信。标准的矩形微带天线是线极化天线，但是通过特殊的技术处理在微带天线上可以方便地实现圆极化设计，为避免设计和布置复杂的多馈点网络，更适合于天线的小尺寸化设计，本发明采用单馈点圆极化设计。

（4）馈电方式也影响天线的实际加工尺寸，因为边馈直接扩大了贴片的物理尺寸，其阻抗匹配网络也会间接地加大基片的面积，所以本发明选定同轴底馈馈电。

（5）微扰形式在微带天线的设计过程中是多种多样的，为了减小天线的尺寸尽可能采用内切、对称的微扰形式。

（6）在场分布较弱的矩形顶角处切去部分尖角，既可以减少天线的金属尖端效应，又可以一定程度上缩短实际对角线长度，降低最大线径。

表1  用于低轨卫星通信的微带天线的设计参数

作为进一步的实施方式，最终设计出符合技术要求的用于低轨卫星通信的微带天线，其结构简单，便于加工，性能良好，满足了低轨卫星通信终端便携化和小型化的需求，详细参数见表1。该用于低轨卫星通信的微带天线包括正方形介质基片1和附着于正方形介质基片1上且与正方形介质基片1同中心的正方形覆铜贴片2，正方形覆铜贴片2的对角线与正方形介质基片1的对角线位置重合，其中正方形介质基片1选用介电常数为10.2、厚度为2.54mm的Rogers板材，正方形介质基片1的边长为128.05mm，在正方形介质基片1的四个角分别切去直角边长为3.0mm的直角三角形，正方形覆铜贴片2的厚度为70μm，边长为117.85mm，在正方形覆铜贴片2对称的两个角分别切去直角边长为6.90mm的直角三角形，正方形介质基片1四边的中垂线上距离正方形介质基片1中心位置26mm处设有贯穿正方形介质基片1和正方形覆铜贴片2的馈孔3，馈孔3内导体直径为1.00mm，馈孔3外导体内径为2.30mm。

实施例1

首先大致确定板材尺寸，正方形圆极化微带天线的结构示意图如图1所示，已知工作频率f₀=398MHz，求得波长λ₀=753.8mm。利用的缩波特性缩小天线尺寸。由W，L为最大允许尺寸时估算出：

  （1）

依据经验公式贴片边长略小于半波导波长。， 为最大可取贴片边长。

   （2）

，为基板最大边长， 为贴片边缘到基片边缘的距离，取值为：

   （3）

解得    （4）

代入上式得 。

但是要想达到缩波要求的介电常数18.6，厚度至少为73.82mm，完全不符合便携设备的要求，经过分析，判断是经验公式在微带天线低频（微波波段低端几百兆赫兹）工作时偏差太大所致。因此决定在放宽最大线径要求的基础上，适当降低介电常数用计算机仿真方法代替经验公式法优化设计该微带天线。最终选择较缩波要求介电常数18.6要小的10.2介电常数、厚度h=2.54mm 板材（Rogers 3010厚板）。

根据选定板材，首先，计算粗略估算贴片边长约为半波导波长（缩短2%为等效延伸）：  （5）

用粗略估算贴片的边长代入施奈德经验公式，计算等效介电常数 ：

   （6）

利用哈默斯塔德经验公式重新计算出相对准确的等效延伸：

  （7）

用代换重新计算半波导波长，独立减去等效延伸（而非前面的2%估算）得到最终的贴片长宽（W=L正方形贴片）：

（8）

用圆极化带宽公式估算出切去角的小面积△s 和对应的直角边长cut：

（9）

其中： ；CPBW为圆极化相对带宽约为1%；

计算出介质板边长（即地板金属片边长）：

 （10）

因为实际设计采用的不是简化矩形贴片微带天线和单边小矩形微扰，而是正方形贴片和对角线上切去两个小三角形微扰方式，所以阻抗匹配馈入点的计算没有现成的经验公式可循，最后选取边长的四分之一为馈电点（0mm，y_o)，y_o为沿Y轴到贴片中心的距离，精确的匹配点待HFSS仿真时再计算。

 ，    （11）

以上参数并不能全部描述一个微带天线模型，但至少可以确定一个天线的大体情况，可以帮助设计者了解自己设计天线的基本信息，为下一步的仿真计算提供重要建模依据，

然后利用以上初步数据，利用HFSS仿真软件对微带天线仿真优化，这里以回损S₁₁、电压驻波比VSWR为主要优化设计参考。由于微带天线参数之间有一定的相关性，所以要多次循环优化仿真，找到一个均衡性能较好的一组参数（cut、W、y₀）。

首先是优化搜索合适的切角边长cut（因材料和厚度已定），使S参数在通带内小于-10dB。因为初始建模的S参数曲线撕裂严重，所以将cut 取小一些，令cut=0mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm，全部小于14.3mm（理论计算初始值），进行HFSS参数扫描计算，分析回损S₁₁参数的多cut值合并曲线如图2所示。

由图2可以看出：cut=0mm、2mm时，微扰的效果很不明显，微带天线呈现谐振器状态，馈入的能量在腔体内震荡，几乎不向外辐射能量，表现为回损严重；cut=4mm时，回损变小，但是近似单峰谐振频带很窄，大约只有2MHz左右不满足设计要求；cut=6mm-8mm时效果最好，双峰谐振带宽满足要求；cut=10mm、14.3mm 是双峰撕裂，S曲线中部抬高，反射太严重，不满足带内辐射效率要求。因此，选择cut在6.9mm作为最佳尺度。

切角基本确定之后，通过优化贴片长W很容易使驻波通频带的中部对准指定中心频率398MHz。因为经验公式计算的贴片边长较为准确使中心频率很靠近设计要求，所以只在W初始值W=119.85mm 附近取点扫描计算。取W=116mm、117mm、118mm、119mm、120mm、121mm 六个点开始HFSS参数扫描计算，分析回损S₁₁参数的多W值合并曲线如图3所示。

由图3可以看出：W=118mm贴片边长中心频率较好地吻合设计要求，仅比398MHz略低。依据中心工作频率估算公式，边长和频率近似成反比，所以向缩小贴片方向优化尺寸。故选取W在117.85mm为贴片边长最优尺度。

最后通过调整y0(馈电点在Y 轴上的位置)，实现通常的50 欧姆输入阻抗的匹配，重点是实现驻波小于2的带宽要求和两个驻波最小值尽可能趋紧1（完全匹配）。

y₀初始值取W/4，这里大致将二分之一贴片边长五等分，数值取整数分别为：y₀=0mm、10mm、20mm、30mm、40mm、50mm 六个点开始HFSS仿真计算，最后根据优化结果选取y₀=26mm为最优结果。分析回损S₁₁参数的多y₀值合并曲线如图4所示。

在保证上面优化天线结果的主要参数不变，或者说影响不大的前提下，尽可能缩小天线实际物理尺寸。这主要有两个途径：尽可能缩小基片的尺寸，在不影响天线方向图和增益情况下减小微带天线上表面被刻蚀去部分的面积；加大基片的倒角尺寸，在一定程度上缩小对角线尺寸，同时达到减少尖端效应的目的。最后设计出符合条件的微带天线如图5、图6所示，最终详细设计参数见表1。

根据实际最终仿真优化参数进行了微带天线的实际制作，采用HP8753E矢量网络分析仪对天线的各个参数进行测试，这里的参数主要是S参数、阻抗特性和驻波特性。最终把测试结果用MATLAB绘在一个坐标系中如图7所示。由图7可以看到：中心频率很好地与设计要求的398MHz 相吻合，主要工作频点回损大约-20dB性能很好。阻抗在50 欧姆上下波动匹配良好，且中心频率附近电抗几乎为零可以保证信号传输时较小的波形相位失真。有较好的驻波特性，其小于2的驻波带宽达到设计要求的4MHz，且底部较为平滑。虽然S曲线频带较窄、较尖锐，可是在波动状态的阻抗特性平滑作用下，天线的驻波带宽达到设计要求且留有一定的调试余量。

综上所述，本发明设计出了一种符合其性能指标的便携式微带天线，采用矢量网络分析仪对设计的天线进行了实测，实测曲线很好的满足了设计要求，说明了本设计的有效性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于低轨卫星通信的微带天线，其特征在于包括正方形介质基片和附着于正方形介质基片上且与正方形介质基片同中心的正方形覆铜贴片，正方形覆铜贴片的对角线与正方形介质基片的对角线位置重合，其中正方形介质基片选用介电常数为10.2、厚度为2.54mm的Rogers板材，正方形介质基片的边长为128.05mm，在正方形介质基片的四个角分别切去直角边长为3.0mm的直角三角形，正方形覆铜贴片的厚度为70μm，边长为117.85mm，在正方形覆铜贴片对称的两个角分别切去直角边长为6.90mm的直角三角形，正方形介质基片四边的中垂线上距离正方形介质基片中心位置26mm处设有贯穿正方形介质基片和正方形覆铜贴片的馈孔，馈孔内导体直径为1.00mm，馈孔外导体内径为2.30mm。