李 凱，左文成，趙子文，譚康伯

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

目前全球信息通信產(chǎn)業(yè)正向移動化、寬帶化和智能化發(fā)展，第四代移動通信技術(shù)的性能已經(jīng)達到瓶頸，而5G移動通信系統(tǒng)的提出進一步拓展了通信技術(shù)的性能。5G通信系統(tǒng)采用了毫米波、波束賦形和微基站等技術(shù)，在提升系統(tǒng)可靠性的同時提高了傳輸速率，進一步擴大了應(yīng)用范圍[1-5]。5G通訊技術(shù)的高性能、低延遲和高效率等特性使其適用于高速率、大帶寬的衛(wèi)星通訊。目前亞馬遜公司擬定的Kuiper計劃將在低地軌道部署超過3 200顆衛(wèi)星，向全球各地的消費者和企業(yè)提供低延遲、高速的寬帶通信服務(wù)[6]。

天線作為通信系統(tǒng)中重要的組成部分，也需要與通信系統(tǒng)的發(fā)展特征相適應(yīng)[7]?，F(xiàn)有的低頻段帶寬資源已不能滿足通信需求。高頻段5G通信技術(shù)的提出，對當前天線設(shè)計與發(fā)展的研究提出了新的要求[8]。受限于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星通信往往會對星載高頻段天線的小型化問題提出具體要求。

隨著5G地面基站技術(shù)的發(fā)展，文獻[9～11]分別對多頻段基站天線的小型化進行了具體研究。為了覆蓋多個頻段，在5G天線的設(shè)計中，需要考慮寬帶的應(yīng)用要求。對數(shù)周期天線(Log-Periodic Dipole Antenna，LPDA)具有較高帶寬、良好方向性且結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于短波、超短波和微波波段通信中[12-14]。然而，傳統(tǒng)的對數(shù)周期天線存在尺寸偏大的問題，限制了其在結(jié)構(gòu)受限場景中的應(yīng)用[15]。

鑒于此，本文針對星載5G通信，提出了一種頻段適用于sub-6G頻段的小型化對數(shù)周期天線。本文以某一典型的衛(wèi)星為平臺，分析了其在加載時天線間耦合的特征規(guī)律，并為控制星載天線間的耦合影響提供了參考意見。

1 小型化對數(shù)周期天線設(shè)計

1.1 對數(shù)周期天線設(shè)計理論

LPDA具有高度的自相似特性。由于天線阻抗和方向特性都是電尺寸的函數(shù)，所以電特性和電尺寸息息相關(guān)。由天線設(shè)計理論可知，在電尺寸不變的情況下，相較于其他天線，對數(shù)周期天線可以達到較高的帶寬[16]。

圖1為典型的LPDA結(jié)構(gòu)圖，其振子長度、振子與原點的距離以及振子單元之間的距離均服從一定的等比變化趨勢。由比例系數(shù)τ、空間因子σ和半頂角α這3個參數(shù)中的任意兩個即可確定天線的形式。其比例系數(shù)τ的定義為[17-18]

圖1 典型LPDA的結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

式中，Ln為第n對振子的長度；Rn為第n對振子到原點的距離；sn為第n對與第n-1對振子之間的距離?？臻g因子σ的定義如式(2)所示。

(2)

除上述3個參數(shù)外，LPDA設(shè)計過程中還需考慮分配饋線的特性阻抗Z0。若已知饋電點的輸入阻抗為Zin，則Z0為

(3)

式中，Za為振子對的特性阻抗，可通過仿真分析或式(4)計算得到

(4)

式中，L和d分別為振子對的長度和半徑。至此得出了典型LPDA的參數(shù)設(shè)計方法。

由天線設(shè)計理論可知，根據(jù)天線的工作頻率即可選擇天線振子單元的長度?？紤]到本文的5G應(yīng)用需求，將待設(shè)計的天線工作頻段選取為2～6 GHz。通過綜合考慮天線的工作帶寬、增益和介質(zhì)材料等特性，由20對振子組成的典型LPDA天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，其中Ln為天線振子單元的臂長，Rn為天線振子單元與饋點的距離，dn為振子單元的寬度。

圖2 對數(shù)周期天線振子單元的參數(shù)曲線

為了便于裝配與加載天線，本文中的天線以平面印刷的方式作為基本設(shè)計結(jié)構(gòu)，其中介質(zhì)基板材料為RO4003，其相對介電常數(shù)和損耗角正切分別為3.55和0.002 7。

1.2 小型化設(shè)計

目前對于LPDA的小型化有多種方法可供選擇，最常用的方法有兩種：(1)縮短LPDA的橫向尺寸，即振子單元的長度；(2)縮短天線的縱向尺寸，即集合線的長度。由LPDA的基本理論可知，集合線的長度和比例系數(shù)τ的關(guān)聯(lián)性更大，因此第一種方法更具研究價值。

典型的LPDA貼片天線中，振子單元為矩形貼片，而文獻[19]中提出一種梯形振子的結(jié)構(gòu)，并將其作為天線小型化的方法。通過將矩形振子沿縱向擴展成梯形結(jié)構(gòu)，在縮減其橫向尺寸的同時保持其輻射特性與典型LPDA相似?？s減后的振子長度為矩形貼片長度的0.8倍，即b′=0.8×b。本文基于上述工作，通過將梯形振子進一步沿橫向折疊進行小型化設(shè)計，其振子單元的變化過程如圖3所示。

圖3 振子單元變化的過程

本文所設(shè)計的振子單元的形式如圖3右側(cè)圖所示，梯形振子被彎折為L型。L型的振子由3個結(jié)構(gòu)組成，其中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3分別為兩個梯形貼片，結(jié)構(gòu)2為90°的扇形貼片，且存在b1+b2=b′。梯形的上邊長與原振子的長度一致，均為a，下邊長延展至a0。圖4為典型LPDA和具有L型振子單元的小型化LPDA(以下簡稱L型LPDA)的設(shè)計結(jié)果。

(a) (b)

圖4中所示的天線振子對和集合線均為良導(dǎo)體。本文使用集總端口，從振子單元最短處到最長處依次交叉饋電。其中典型和小型化LPDA的尺寸分別為100 mm×90 mm×0.51 mm和100 mm×65 mm×0.51 mm。第1個振子的長度L1為37.5 mm，寬度a為4.5 mm，其與后一個振子之間的間距為7.35 mm。此時對應(yīng)的比例系數(shù)τ和空間因子σ分別為0.88和0.16。L型LPDA中振子單元長為典型對數(shù)周期天線振子單元長b的0.61倍，短邊為典型對數(shù)周期天線振子單元長b的0.19倍。相較于典型的對數(shù)周期天線，小型化LPDA的橫向尺寸縮小了27.8%。

本文針對典型LPDA的空間因子和比例因子進行設(shè)計。不同空間因子和半頂角變化時，典型LPDA的回波損耗(S11)變化情況如圖5所示。由圖可知，當比例系數(shù)τ和半頂角α分別為0.88和10°時，具有較好的回波損耗，僅在幾個低頻頻點附近大于-10 dB。

圖5 不同空間因子和半頂角的S11

在給定比例系數(shù)τ和空間因子σ后，由式(5)計算得到圖5中的半頂角。

(5)

由于典型LPDA中振子單元的形狀發(fā)生了如圖3所示的變化，天線振子表面的電流將會重新分布。梯形結(jié)構(gòu)和90°的扇形連接結(jié)構(gòu)增加了振子表面積，從而改變了天線的輻射特性和端口匹配性能，故下文對天線小型化前后的部分性能進行分析對比。

L型LPDA中與集合線相接的振子上邊長a為4.5 mm。本文選取了不同的下邊長t，并研究其回波損耗，結(jié)果如圖6所示。圖中方形標記的曲線為t取不同值時頻段上的效率，無標記的曲線為S11。

圖6 不同下邊長對應(yīng)的S11和效率

由圖6可知，當下邊長t為6 mm時，該天線具有較好的端口阻抗匹配特性，其對應(yīng)的S11均小于-10 dB。而當下邊長t分別增加或減少0.5 mm時，S11的變化趨勢相近，且在部分頻段大于-10 dB，此時天線的性能不能滿足常規(guī)情況下對于回波損耗的要求。因此，后文分析中，L型LPDA的下邊長t的取值為6 mm。

比較圖5與圖6中典型LPDA與L型LPDA的回波損耗結(jié)果可知，L型LPDA在工作頻段內(nèi)具有更好的端口特性。典型LPDA在2.3 GHz和3 GHz頻點附近的回波損耗不理想，均大于-10 dB，此時有大于30%的能量被反射，天線無法進行正常工作。對于典型LPDA而言，由于個別頻點會出現(xiàn)反常諧振現(xiàn)象，因此導(dǎo)致在2.3 GHz和3 GHz頻點附近的回波損耗不理想，這也是設(shè)計對數(shù)周期天線時常遇到的問題。從L型LPDA的回波損耗結(jié)果可以看出，本文提出的新設(shè)計方案解決了這一問題。

在端口特性滿足設(shè)計要求后，分別選取了2 GHz、3 GHz、6 GHz共3個頻率點的輻射方向圖進行分析，并詳細討論了該小型化LPDA的性能。

圖7給出了L型LPDA和典型LPDA在不同頻點的E面H面的仿真歸一化方向圖。在圖7(a)和圖7(b)中，當工作頻率為2 GHz和3 GHz時，雖然小型化LPDA方向圖的后瓣改變，但主瓣和增益并未有較大改變。在圖7(c)中，由于振子單元的結(jié)構(gòu)有所改變，因此在工作頻率為6 GHz時，小型化LPDA方向圖的后瓣惡化。由圖7可知，小型化LPDA的E面H面的方向圖和典型LPDA方向圖相比均有一些惡化。

(a)

彎折振子單元會導(dǎo)致天線的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致天線的輻射特性和方向圖改變。在設(shè)計過程中，要兼顧性能和尺寸的要求，因此需要在小型化和天線性能之間權(quán)衡。

2 小型化LPDA在衛(wèi)星中的應(yīng)用

在衛(wèi)星通信[20]中，周圍介質(zhì)或?qū)w的存在會影響天線之間的工作性能，因此本文討論了L型LPDA在衛(wèi)星表面環(huán)境下的相互影響，并分析了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)和天線位置對天線間耦合度的影響。

以某衛(wèi)星為例，其模型如圖8所示。在衛(wèi)星端面居中放置兩個L型LPDA，用于模擬衛(wèi)星通信時天線的互耦情況。天線均工作在sub-6G頻段，用于數(shù)據(jù)傳送、信息通訊。L型LPDA的擺放位置如圖9所示，其位于衛(wèi)星的頂端，由支撐桿固定，多個支撐桿之間的距離可調(diào)。

圖8 衛(wèi)星模型圖

(a) (b)

兩個L型振子單元LPDA以垂直及水平方式放置的耦合度如圖10所示。天線間的距離為150 mm和300 mm。圖10(a)為兩天線平行放置于同一平面的耦合度結(jié)果，圖10(b)為兩天線相互正交放置的耦合度結(jié)果。相較于垂直放置，水平加載情況下的最大耦合度為-45 dB，而圖10(b)的最大耦合度為-40 dB，其結(jié)果要大于圖10(a)給出的最大值。垂直放置時，除幾個特殊的諧振頻點外，耦合度均小于水平放置情況。上述結(jié)果表明，在天線的擺放位置固定的情況下，研究兩個天線的放置方式有利于控制天線間的耦合，這對星載多天線的深入研究具有積極意義。

(a)

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種可用于衛(wèi)星加載的小型化5G對數(shù)周期天線。相較于傳統(tǒng)的天線形式，小型化LPDA的橫向尺寸縮小了27.8%，并具有更好的阻抗匹配性能，且天線的增益基本不變，能較好地滿足衛(wèi)星載荷緊湊化、輕量化的應(yīng)用要求。本文以某典型的衛(wèi)星為平臺，對天線加載衛(wèi)星后的耦合度進行分析，對天線間耦合度的有效控制進行了探索。本文工作對于星載5G通信的應(yīng)用研究具有一定的實際意義。