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Ka波段卫星通信双极化微带阵列天线研究

作者：李君

来源：《电脑知识与技术》2017年第04期

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。

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文章编号：1009-3044（2017）04-0019-05

引言1

波段的Ka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。

混合馈电双极化微带天线2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。

介质基板的选2.1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，

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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

四氟乙烯作为介质基板材料，厚度为10mil。选用此规格介质基板的原因主要有两点：

）Ka1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。

）选用厚度2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。

微2.2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W，宽为L，下面是矩形微带辐射贴片的计算公式：

初步确定辐射贴片尺寸，不考虑由于粘结胶引起的等效介电常数的变化，取中心频率，介

电常数可计算出W=3.37mm