郭 强

(中国海洋石油总公司,北京100010)

一种新型海事卫星天线分析与设计*

郭 强

(中国海洋石油总公司,北京100010)

针对海上石油钻井平台地理环境对通信天线的特殊要求,提出了一种宽频带圆极化平面天线,该天线适用于新一代Ka频段海事卫星终端。天线采用基于微扰法的矩形贴片作为辐射单元,对微扰槽位置等参数利用矩量法进行了优化,并采用耦合馈电方式来提高天线的圆极化带宽。仿真结果表明,该天线具有良好的阻抗及轴比带宽,分析了天线的辐射特性,并对比了不同的仿真结果。该天线具有结构紧凑,馈电简单、圆极化特性好、易于制作等优点。

海事卫星 圆极化 轴比带宽

0 引 言

国家“十二五”能源规划明确要求加强海上油田的勘探、开发和利用,海上石油钻井平台是海上油田的工作区域,海上钻井平台通信系统是平台上工作人员作业及日常生活的重要组成部分。由于平台一般位于远离大陆架的广袤海面上,地理位置孤立,通信环境恶劣,平台与陆地或平台之间一般都采用卫星通信方式连接,为保证石油生产作业及人员的安全,对平台通信系统稳定性要求较高。海事卫星通信系统具有全球(除南北极区外)、全时、全天候、稳定、可靠、高质量、大容量和自动通信等显著优点,非常适用于保障海上钻井的平台正常运行。移动卫星通信运营商海事卫星(Inmarsat)于2010年8月11日宣布由波音公司负责升级其最新Ka波段的Inmarsat-5卫星系统,以提供独一无二的全球高速移动宽带服务。其终端将工作于毫米波频段(27.5～31 GHz),传统L波段终端采用的柱状螺旋阵不利于与系统集成应用,不适用于新的Ka频段卫星。通信系统集成度的提高和体积的减小,对天线集成性要求越来越高,在多个系统集成于一个平台共用天线时,如何实现剖面低且易集成的天线成为新的难题。一般情况下可采用印制天线来实现卫星终端天线。印制天线易于集成、一致性好且其尺寸与(εr为相对介电常数)成反比,选用高εr的介质基板可减小天线尺寸,但采用高εr的基板不利于圆极化轴比带宽的改善,也会降低天线的辐射效率[1-2]。由微带天线空腔模型易知,平面印制圆极化天线轴比带宽不理想是其固有的缺点,将耦合馈电结构引入微带天线领域以提高其工作带宽成为首选方法[3],文献[3]中研究了一种耦合馈电法来增强微带天线带宽的技术,其效果较为显著。

本文提出一种基于耦合馈电结构的小体积、紧凑型海事卫星终端平面天线,该天线具有轴比带宽好、易于与其它子系统天线集成、加工方便、一致性好等优点。采用基于微扰理论优化的矩形贴片作为辐射器,用矩量法对单元及馈电网络各部分尺寸进行优化,使天线获得良好圆极化辐射特性。最后仿真对比结果表明该天线具有良好的轴比带宽特性, 3 dB波束宽度(Phi=0o)为30度,10 dB阻抗带宽为13%(28～32 GHz),3 dB轴比带宽达10%(28.5～31.5 GHz),天线的增益在工作频段大于12 dBi。

1 设计方法与原理

1.1 辐射单元

为获得优良的圆极化辐射特性,采用如图1(b)所示的开槽切角矩形贴片(Rectified Rectangular Patch with Slot)辐射器作为单元,矩形单元以其设计理论成熟及优化方便等特性,在微带天线中被广泛采用。为改善其圆极化带宽,在矩形阵子馈电位置处附加谐振槽,并将如图1(a)所示的直接馈电方式改为耦合馈电方式。加载槽及耦合馈电枝节的尺寸及位置对表面电流的分布有重要影响,其最终参数要通过优化确定。由于天线阻抗及方向图特性主要由其表面电流分布决定,故首先对用矩量法对贴片单元进行优化。

天线表面电流分布为[4-6]:

天线表面满足边界条件:

式中,L表示线性算子(在这表示积分算子),v为已知的激励源,f是由基函数组成的未知函数。

采用一组权函数对方程两边取内积得:

综合式(8)、式(9)和式(10)可得:

用矩阵形式表示为:

式中,Zij=〈ωi,Lfj〉,Ij=αj,[I]=[Z]-1[V](13)

采用分域基函数和点选配的方法:ωi=δ(r-ri)为权函数,{ri}为每段的中点,选用适当的基函数求得电流分布之后就可以得到天线的输入阻抗、方向图等。

图1 单元结构Fig.1 Structure of the element

经过优化后得到的天线辐射单元各部分尺寸如表1所示。

表1 辐射单元各部分尺寸Table 1 Dimensions of the radiation element

1.2 馈电网络

为验证天线的宽带圆极化特性,采用如图2所示的四功分馈电网络建立四单元圆极化阵模型,功分馈电网络与天线辐射单元位于同一层。依据圆极化阵列天线的工作原理,四个辐射单元空间位置及馈电相位依次相差90度,为实现馈电网络的宽带化,功分器分路枝节位置采用四分之一波长渐变结构。为实现单元的90度馈电相位差,在第一级功分后引入90度相位延迟线,各单元馈电相位分布如图中所示。将功分网络与辐射单元置于印制板的不同层,并通过宽带层间过渡结构实现分层馈电的结构可进一步缩小天线体积,改善整体性能[7-10]。

图2 四单元圆极化天线顶视图Fig.1 Top view of the four-element circular array

2 仿真及验证

为验证上述圆极化阵列天线的性能,以表1中经矩量法优化后的各部分尺寸作为初值,分别在三维电磁仿真软件ANSOFT HFSS及CST Microwave Studio里建立上述天线模型并进行仿真,模型采用Rogers5880为基板材料,表面金属采用PEC代替,仿真结果如图3～图6所示。图3所示为天线回波损耗仿真对比结果,结果显示天线10 dB阻抗带宽为13%;图4所示为方向图仿真结果,天线3 dB波束宽度(Phi=0°)约为30度;图4为轴比方向图仿真结果,3 dB轴比波束宽度约为30度(Phi=0°);图5所示为天线轴比-频率仿真结果,由图易知与采用传统圆极化辐射单元的类似结构天线相比,本文圆极化天线轴比带宽增加了3.3%。由于两类软件的基础算法及网格剖分差异,采用两种软件仿真得到的结果略有差异。

图3 回波损耗对比Fig.3 Returns loss results

图4 方向图对比(f=30 GHz,Phi=0°)Fig.4 Radiation pattern results

图5 轴比方向图对比(f=30 GHz,Phi=0°)Fig.5 Axial ratio pattern results forf=30 GHz and Phi=0°

图6 轴比-频率对比(Phi=0°,Theta=0°)Fig.6 AR-frequency results for Phi=0°and Theta=0°

3 结 语

提出并分析了一种宽带圆极化阵列天线,该天线采用附加槽的矩形贴片作为辐射单元,为使天线获得宽带圆极化辐射性能,采用耦合馈电的方式对各单元进行馈电。为验证天线的宽带特性,采用两种不同三维电磁仿真软件,对以宽带平面四功分器为馈电网络的平面四元阵进行了仿真验证。结果表明:天线具有13%阻抗带宽,圆极化带宽可达10%,增益12 dBi。天线具有加工简单、体积小、重量轻、剖面低等优点,适于与其它类型子系统天线集成安装。

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Analysis and Design of A Novel Satellite Antenna

GUO Qiang
(China National Offshore Oil Corp,Beijing 100010,China)

For at the special geographical position of offshore oil platform,a novel wideband circularly polarized planar antenna is proposed in this paper,and this antenna could be used in the new-generation Ka -Band maritime satellite terminal device.A novel kind of rectangular patch designed with perturbation method is used as a radiation element,thus to optimize the parameters of location,length and width of the slot with MOM(Method of Moment),and then the coupled feeding structure is used to expand AR bandwidth of the antenna.The simulation result indicates that this antenna has good performance of impedance and AR bandwidth.Radiation characteristics of the antenna are analyzed and simulation data from different simulation tools are compared in this paper.The antenna is characterized by compact structure,good circular polarization performance and easy fabrication.

maritime satellite;circularly polarized;AR bandwidth

TN820.12

A

1002-0802(2014)09-1090-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.09.023

2014-05-12;

2014-07-23 Received date：2014-05-12;Revised date：2014-07-23

郭强(1971—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为信息系统基础架构规划,信息系统安全,海上无线通信系统。

GUO Qiang(1971-),male,M.Sci.,senior engineer,majoring in the planning of information system,security problem of information system and maritime wireless communication system.