用于卫星数据传输的微带天线设计

对中间高度，太阳同步模式的近地轨道卫星来说，通过改变天线的波束图来补偿卫星的通道损耗分布图(实质上，辐射波束图是路径损耗图的倒置)，可以实现卫星通道链路上的数据传输优化。由于所有其它参数都保持不变，该天线将提供卫星链路上的一致的数据传输。基于900km的轨道高度，并假定地球半径为6351km，仰角的5 deg.边缘对应于天线上的大约±60 deg.。

理想的用于距离和大气衰减补偿的辐射图具有6dBi的边缘增益(指一个S波段地球遥感天线)。对于将来的UHF Quicksat应用来说，要求具有在±60 deg.时，能够提供0dBi的增益，并提供倒置锥束，对应于最低值，S波段为?C6dBi，而UHF波段为-12dBi。

许多作者描述了在X和S波段以及毫米波频率，使用一个反射器和一个馈源系统的圆形极化波束成形天线。本文作者描述的是一个高阶模激励的微带天线，在UHF和S波段均有良好性能。该天线在许多方面优于反射器天线。该微带设计为一个圆形极化锥形波束天线，该天线结构一致性好且简单。天线辐射峰值的方向由基片介电常数和激励模决定。本文作者利用相控阵技术实现了X波段的、低仰角的微带元的波束控制。参考资料6显示一个X波段反射器天线可用微带元件替代，此时仍满足未来RADARSAT和ERS人造卫星的性能规范。对于这两个频段，给天线加入吸收材料都有助于增加低仰角增益。

该天线的圆形微带辐射元由紧贴在基底地平面上方的辐射盘组成。该天线结构为带有磁畴壁的可谐振在横向电磁波(TM)模的圆柱形空腔。圆形磁盘中TM_nm模的谐振频率为：

其中：ε_r=基片的相对介电常数，α_nm=n次Bessel函数导出的第m个零点，c=自由空间中的光速，a_e=圆形微带片的有效半径。

圆形微带片的有效半径比物理半径稍大些。有可能从式2计算有效面积：

其中，a=微带的物理半径，h=从接地平面到它的高度(基片厚度)。

圆形极化需要两个拥有适当角度间距的馈源。在微带下面及微带外，由两个馈源产生的场相互正交。为了达到圆形极化，这两个馈源必须用相差90 度的信号来馈给。两个馈源之间的角度间距对于每个不同的模是不同的。一个谐振模的两个相邻模拥有最大值。这些不需要的模提供高的交叉极化和非对称波束图。为了实现低的交叉极化并保持波束对称，这些不需要的模应该被抑制。为了抑制不需要的模，在两个原始馈源的对面放置另外两个附加馈源，形成四馈源结构。当n为偶数时，这些四馈源激励磁盘的总辐射电场由式3、4给出：

当n为奇数时，这些四馈源激励磁盘的总辐射电场由式5、6给出：

由所有模式(TM_mn)形成的远场辐射为：

其中：

在以上等式中，K=2 π/λ_o，K_nm=X_nm/a，且q=5d/γ_o。其中，d=馈源直径，γ_o=馈源距离微带天线中心的径向位置（距离）。

微带辐射元出由接地平面上方的间隔为波长的一小段的放射性组织构成，只允许辐射到上半部空间。图1显示了一个介质层上面的圆形单元。位于磁盘和接地平面之间的场，类似于把天线看作是一个在其周围有磁畴壁的狭窄空腔所获得的场。设计圆形盘式微带，使其工作在TM₂₁模，以产生437 MHz (UHF)的圆形极化锥形波束图。天线的物理直径(2a)是20.3cm，微带元以接地平面为起点的高度是0.3cm。这些参数由等式1和2计算得出，其中TM₂₁模的α₂₁为3.054，f_nm为437 MHz，ε_r为10.7。

天线的接地平面与人造卫星主体的平坦表面相连。然而，还有很多其它与微带天线相邻的设备，它们会对天线的辐射图和轴比造成干扰。为了克服这些干扰，并且增大最低处的天线增益，采用了一圈吸收材料。为保护UHF频段的波束对称性，以及保持轴率大于0.5dB(从0到±60 度.)，必须对不需要的模进行抑制。出于该目的的考虑，相位排列为0、90、0和90度的四馈源被用于TM₂₁模(见图1的底部)。这四个馈源和相位设置依靠功率分配器完成，该分配器经由一个连接器馈入。

UHF波段的天线波束必须在一个±60°的轴环截面上急速达到峰值，以补偿距离和大气衰减，如图2中的实线(1)所示。图2(437 MHz)中测量和计算出的远场波束图由实线(2)和虚线(3)分别表示。远场波束图的测量在一个AK Electromagnetique公司的微波暗室中完成。测量出的回波损耗从432到442 MHz约为17dB。测量出的轴比在432到442MHz之间小于0.5dB。

图3显示了一个圆形盘式微带天线，该天线被设计工作在TM₅₁模，以产生频率为2.3GHz (S波段)的圆形极化锥状波束图。天线的物理直径(2a)为21.6cm，微带元件在接地平面以上的高度为0.82cm。这些参数来从式1和2求得，其中TM₅₁ 模的α₅₁是6.415，f_nm 是2.3 GHz，而ε_r 是 1.4。

天线基底地平面的直径约为55 cm。为保护S波段的波束对称性，以及维持一个优于0.5 dB的轴比(从0到±60 deg.)，必须对不需要的模进行抑制。该天线使用四个馈源，对于TM₅₁模，其相位排列为0、90、180和270度。图3底部显示了由功率分配器实现的相位排列。一个吸波材料环被加在靠近接地平面的位置(图3)，以改善在最底点的天线增益。要实现的天线波束图在图4中用实线(1)表示。频率为2.3 GHz的天线的远场波束图在暗室中测得，图4中的实线(1)和虚线(2)分别代表实测的和计算的辐射波束图。在2.25 到2.35GHz之间，回波损耗约为19dB。

图2同样显示了UHF频段的计算曲线。结果显示，在0到±3 度范围内，不能满足增益要求。使用吸收环时，在±60度仰角位置，测量到的辐射性能能够满足增益要求。图2显示了测量结果和计算结果之间的良好一致性。最大增益出现在±60度的位置，为0.1dBic，而最小增益出现在5度的位置，为?C11 Bic。

除0到±3度外，计算曲线在全部覆盖角度范围内满足规范要求。在图3中，微带天线的接地平面超过了3λ，因此，测量和计算曲线之间的一致性比接地平面较小的情况下要更好。在图4中，最大增益出现在±60度时，为6.5dBic，而最小增益出现在5度时，为-4.2dBic。

由于采用了吸波材料，在图2和4中可见，当仰角大于±60度时，辐射场振幅快速下降。我们发现，吸收材料的传导性对形成0 到±60度范围内的波束起着.非常重要的作用。

概括地说，在UHF和S波段，分别设计和测试了两个提供圆环状仰角波束图的圆形微带天线。两个天线都能产生圆形极化波束图(左旋或右旋圆极化)，在角度范围为0到±60度范围内波束图一致。

作者：Dr. A. Kumar